Þórhallur Vilmundarson fæddist á Ísafirði þann 29. mars 1924.
Foreldrar hans voru hjónin Kristín Ólafsdóttir læknir, f. 1889, d. 1971, og Vilmundur Jónsson landlæknir, f. 1889, d. 1972.
Þórhallur lauk stúdentsprófi frá Menntaskólanum í Reykjavík árið 1941 og cand. mag.-prófi í íslenzkum fræðum frá Háskóla Íslands árið 1950 og stundaði nám við háskólana í Ósló og Kaupmannahöfn 1950-1951.
Þórhallur var kennari við Menntaskólann í Reykjavík árin 1951-1960. Hann kenndi íslenzka bókmenntasögu við heimspekideild Háskóla Íslands 1960-1961, var skipaður prófessor í sögu Íslands árið 1961 og var forseti heimspekideildar árin 1969-1971.
Þórhallur var forstöðumaður Örnefnastofnunar frá stofnun hennar árið 1969 til 1998 og formaður örnefnanefndar. Hann átti sæti í nýyrðanefnd 1961-1964 og Íslenzkri málnefnd 1964-2001.
Eftir Þórhall liggja ýmis sagnfræðileg ritverk og útgáfur. Hann fékkst þó einkum við nafnfræði síðustu áratugina, gaf út Grímni, rit um nafnfræði, 1980-1996 og birti margar greinar um íslenzk örnefni í íslenzkum og erlendum fræðiritum. Þá vöktu fyrirlestrar Þórhalls um náttúrunöfn, dýrlingaörnefni og önnur kirkjuleg örnefni, sem hann hélt við HÍ á árabilinu 1966-1995, mikla athygli.
Náttúrunafnakenningin svonefnda snýst um að mannanöfn séu lesin út úr örnefnum en ekki öfugt; örnefnin séu ekki endilega tengd mannanöfnum eins og Landnáma og aðrar heimildir gefa í skyn. Með tilkomu kenningarinnar vaknaði nýstárleg og gagnleg umræða um uppruna fjölda örnefna.
Þórhallur var kvæntur Ragnheiði Torfadóttur, f. 1.5. 1937, fyrrverandi rektor MR. Foreldrar hennar voru Anna Jónsdóttir, f. 1912, d. 1992, og Torfi Hjartarson; bæjarfulltrúi á Ísafirði 1940-1943, tolllstjóri og ríkissáttasemjari, f. 1902, d. 1996.
Börn Þórhalls og Ragnheiðar:
Guðrún, Torfi og Helga.
Þórhallur Vilmundarson lést þann 27. nóvember 2013.
