Il 4 gennaio 2012, Hillman annunciò la sua eleggibilità per il Draft 2012. Il 27 aprile, il giocatore fu scelto dai Denver Broncos nel corso del terzo giro[1][2]. Il 24 luglio 2012, il vicepresidente esecutivo John Elway annunciò tramite il suo profilo su Twitter l'annuncio della firma del contratto di Hillman[3].
Nella settimana 10 contro i Carolina Panthers, Hillman segnò il suo primo touchdown dopo una corsa di 5 yard[4]. La sua stagione da rookie si concluse con 14 presenze, nessuna come titolare, 330 yard corse e un touchdown.
Il 31 agosto 2013, Hillman fu nominato running back titolare dei Broncos per l'imminente stagione[5]. Il primo touchdown lo segnò nella vittoria della settimana 3 contro gli Oakland Raiders[6].
Nell'ultima partita della stagione 2015, Hillman fu premiato come miglior giocatore offensivo della AFC della settimana dopo avere corso 117 yard e un touchdown nella vittoria in rimonta sui San Diego Chargers[7]. La sua annata si chiuse guidando i Broncos sia in yard corse (867) che in touchdown su corsa (7). Il 7 febbraio 2016 scese in campo nel Super Bowl 50, dove i Broncos batterono i Carolina Panthers per 24-10, laureandosi campione NFL[8]. Il 3 settembre 2016 fu svincolato.