Hillenburg mengambil pelbagai pekerjaan pada tahun 1984, selepas menamatkan pengajian dari kolej, termasuk atendan perkhidmatan taman di Utah dan pengarah seni di San Francisco, sebelum mendapat pekerjaan yang beliau mahu—mengajar kanak-kanak.[11] Beliau berharap dapat bekerja di sebuah taman negara di pantai[12] dan akhirnya mendapat pekerjaan di Institut Marin Orange County (sekarang dikenali sebagai Institut Lautan),[12] organisasi di Dana Point, California yang didedikasikan untuk mendidik mengenai sains marin dan sejarah maritim.[13] Hillenburg adalah guru marin-biologi di sana selama tiga tahun:[14][15] "Kami mengajar ekologi kolam renang, sejarah nautika, kepelbagaian dan penyesuaian. Bekerja di sana, saya melihat bagaimana anak-anak terpikat dengan kehidupan bawah laut."[16] Beliau tinggal di Dana Point Marina[17] dan juga seorang artis kakitangan.[11][18][19] Walaupun "ia adalah pengalaman hebat" baginya,[12] Hillenburg sedar bahawa beliau lebih berminat dengan seni daripada profesion pilihannya.[15]

Ketika bekerja di sana, beliau diminta oleh salah seorang pengarah pendidikan jika beliau berminat untuk membuat sebuah buku komik pendidikan tentang kehidupan haiwan kolam.[11][12][20] Beliau menulis komik itu yang berjudul The Intertidal Zone, di mana beliau gunakan untuk mengajar para pelajarnya.[20] Ia membintangi pelbagai bentuk kehidupan laut antropomorfik, kebanyakannya akan berubah menjadi watak-watak SpongeBob SquarePants,[21] termasuk "Bob the Sponge", yang menjadi watak bersama komik itu, dan menyerupai span laut yang sebenarnya, bertentangan dengan SpongeBob SquarePants yang menyerupai span dapur.[22] Beliau cuba mendapatkan komik yang diterbitkan secara profesional, tetapi ditolak oleh penerbit.[11][12]

Pada satu ketika semasa kerjayanya dengan Institut Marin Orange County, Hillenburg mula pergi ke festival-festival animasi seperti Animasi Antarabangsa Tournée dan Festival Animasi Mike dan Spike di mana salah satu daripada filem-filem yang dibuat oleh pelajar Institut Seni California telah ditayangkan.[11][23] Beliau memutuskan bahawa beliau mahu meneruskan kerjaya dalam bidang itu.[11][23] Hillenburg telah merancang untuk mengambil ijazah sarjana dalam bidang seni. Daripada "kembali ke sekolah untuk melukis",[11] beliau meninggalkan tugasnya pada tahun 1987 untuk menjadi seorang juruanimasi.[21][22]

Pada tahun 1989,[12] Hillenburg mendaftarkan diri dalam Program Animasi Eksperimental di CalArts:[14][21][22] "Mengubah kerjaya seperti itu menakutkan, tetapi ironi adalah bahawa animasi adalah kerjaya yang cukup sihat sekarang dan pendidikan sains lebih banyak," akuinya.[24] Beliau belajar di bawah Jules Engel,[25][26] pengarah pengasas program tersebut,[26][27] yang beliau anggap sebagai "Bapa Seni" dan mentor.[26][28][29] Engel menerimanya ke dalam program The Intertidal Zone.[11][22] Hillenburg juga berkata, "[Engel] juga seorang pelukis, jadi saya fikir beliau melihat lukisan saya dan dengan mudah erkata, 'Oh, lelaki ini boleh masuk ke program ini.' Saya tidak mempunyai apa-apa pengalaman dalam animasi".[11] Beliau lulus pada tahun 1992,[14][30] memperoleh M.F.A. dalam animasi eksperimen.[14]