Wilhelm Killmayer wurde am 21. August 1927 in München geboren. Seine frühe Kindheit verbrachte er in Mitterndorf bei Dachau, zog aber nach dem Tod seines Vaters mit seiner Familie nach München. Ab dem sechsten Lebensjahr erhielt Killmayer regelmäßigen Klavierunterricht. Nach dem Abitur studierte er Dirigieren und Komposition am Musikseminar von Hermann Wolfgang von Waltershausen in München (1945–1951). Parallel dazu besuchte er musikwissenschaftliche Kurse bei Rudolf von Ficker und Walter Riezler und nahm Privatunterricht bei Carl Orff (1951–1953). Anschließend besuchte er dessen Meisterklasse an der Staatlichen Musikhochschule München (1953/54). Ab 1955 lehrte Killmayer Musiktheorie und Kontrapunkt am Trappschen Konservatorium in München und war von 1961 bis 1964 als Ballettdirigent an der Bayerischen Staatsoper tätig. Nach zwei Stipendienaufenthalten in Rom in der Villa Massimo (1958 und 1965/66) machte sich Killmayer als Komponist selbstständig und ließ sich 1968 in Frankfurt am Main nieder. 1973 wurde er zum Professor für Komposition an der Staatlichen Hochschule für Musik München berufen. Von seiner Emeritierung 1992 bis zu seinem Tod 2017 in Starnberg pendelte Killmayer zwischen München und dem Chiemsee.