1960 yılında Bulgaristan’ın Kırcaali şehrinde doğdu. İlkokul üçüncü sınıfı Bulgaristan’da bitirdikten sonra 1970 yılında yapılan göç anlaşmasıyla ailesi ile birlikte Bursa’ya geldi. İlk öğrenimini Uludağ İlkokulu’nda, orta öğrenimini ise Bursa Cumhuriyet Lisesi’nde tamamladı. İstanbul Teknik Üniversitesi Sakarya Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği bölümünden 1985 yılında mezun oldu.

Yapı stajını Bursa Belediyesi’nde tamamlayan Hilmi Şensoy, Bursa’da özel bir inşaat firmasındaki iki yıllık şantiye şefliği görevinden sonra kendi işyerini kurdu ve serbest inşaat mühendisi olarak çalışmalarını sürdürdü. Mesleği gereği ağırlıklı olarak proje mühendisliği ve yapı denetim hizmetleri verdiği inşaat sektöründen 1999 yılında ayrılarak Bursa Osmangazi Belediye Başkanlığı’na seçildi.

Hilmi Şensoy evli ve iki çocuk babasıdır.