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Dès son plus jeune âge, il est passionné par les films du commandant Cousteau, ce qui le conduit tout naturellement à devenir professeur de biologie marine à l'Institut océanographique d'Orange County pendant trois ans, de 1984 à 1987[1],[3]. Il y conçoit pour ses étudiants The Intertidal Zone, une bande dessinée éducative sur les animaux des mares résiduelles, dont une éponge parlante[1],[2].
Mais son autre obsession, le dessin, le pousse à retourner en classe d'animation au California Institute of the Arts en 1987. Alors qu'il suit toujours des cours, Hillenburg reçoit un travail sur la série télévisée pour enfants Grimmy de 1991 à 1993[réf. souhaitée]. Il y réalise ses premiers courts-métrages, puis, une fois l'école finie, il commence à travailler chez Nickelodeon. Il y apprend les rudiments du métier et commence à réfléchir sur la série qu'il voudrait créer.
À l'origine, l'idée de l'éponge germe, mais il s'agit alors d'une éponge naturelle, difforme. Puis, Hillenburg observe sa maison, sa cuisine et décide alors de donner vie à une éponge de cuisine bien rectangulaire et propre. Bob l'éponge devient une série télévisée en 1999 puis un film, Bob l'éponge, le film en 2004 qui va être un succès. Après le film, Stephen Hillenburg a cessé de travailler pour la série et a légué son rôle à Paul Tibbitt. En décembre 2014, il est annoncé sur Twitter qu'il allait retourner travailler sur le dessin animé en 2015.
