Thor Vilhjálmsson var fæddur í Edinborg í Skotlandi 12. ágúst 1925. Hann lauk stúdentsprófi frá Menntaskólanum í Reykjavík 1944, nam við norrænudeild Háskóla Íslands 1944–46, við Háskólann í Nottingham 1946–47 og við Sorbonne-háskóla í París 1947–52. Heim kominn var hann bókavörður á Landsbókasafni Íslands, starfaði við Þjóðleikhúsið og var leiðsögumaður og fararstjóri erlendis, auk ritstarfa.
Thor gegndi fjölmörgum trúnaðarstörfum fyrir rithöfunda og listamenn, var m.a. í stjórn Rithöfundasambands Íslands og forseti Bandalags íslenskra listamanna. Þá sat hann í þjóðfulltrúaráði Samfélags evrópskra rithöfunda, í framkvæmdastjórn Listahátíðar í Reykjavík og í undirbúningsnefnd kvikmyndahátíðar. Þá var hann í stjórn Alliance Francaise árum saman. Thor var einn stofnenda Bókmenntahátíðar í Reykjavík og sat í stjórn hátíðarinnar frá upphafi. Hann var formaður Júdófélags Reykjavíkur í nokkur ár og formaður PEN-klúbbsins. Thor var einn stofnenda menningartímaritsins Birtings árið 1955 og sat í ritstjórn þess til 1968.
Fyrsta bók Thors, Maðurinn er alltaf einn, kom út árið 1950. Eftir það sendi hann frá sér fjölda verka af ýmsu tagi, skáldsögur, smásögur, ljóð og ferðasögur auk fjölda greina og pistla um menningu og listir. Hann hlaut margvíslegar viðurkenningar fyrir ritstörf sín, hlaut t.d. bæði Menningarverðlaun DV í bókmenntum og Bókmenntaverðlaun Norðurlandaráðs fyrir skáldsöguna Grámosinn glóir (1986) og Íslensku bókmenntaverðlaunin fyrir Morgunþulu í stráum (1998). Verk hans hafa verið þýdd á fjölmörg tungumál. Thor þýddi einnig bækur á íslensku, meðal annars skáldverk eftir Umberto Eco og André Malraux.
Auk ritstarfa lagði Thor lagt stund á myndlist og hélt sýningar á verkum sínum. Hann lést 2. mars 2011.