Wilhelm Killmayer nacque a Monaco di Baviera il 21 agosto 1927. Trascorse la prima infanzia a Mitterndorf, vicino a Dachau, ma alla morte del padre si trasferì a Monaco con la famiglia. Killmayer ricevette lezioni regolari di pianoforte dall'età di sei anni. Dopo aver conseguito la maturità, studiò direzione d'orchestra e composizione al Musikseminar di Hermann Wolfgang von Waltershausen a Monaco (1945-1951). Parallelamente ai corsi di musicologia tenuti da Rudolf von Ficker e Walter Riezler, Killmayer intraprese contemporaneamente studi privati con Carl Orff (1951-1953) e successivamente entrò nella sua masterclass presso la Staatliche Musikhochschule di Monaco (1953/54). Dal 1955, Killmayer insegnò teoria musicale e contrappunto al Trappsches Konservatorium di Monaco e fu impiegato presso la Bayerische Staatsoper come direttore di balletto tra il 1961 e il 1964. Dopo due soggiorni di studio a Roma, presso Villa Massimo (1958 e 1965/66), Killmayer divenne compositore freelance e si stabilì a Francoforte sul Meno nel 1968. Fu nominato professore di composizione alla Staatliche Hochschule für Musik di Monaco nel 1973. Dall'assunzione della carica di professore emerito nel 1992 fino alla sua morte nel 2017 a Starnberg, Killmayer divise il suo tempo tra Monaco e il lago Chiemsee.
Già nei decenni del dopoguerra, il giovane compositore aveva voltato le spalle ai dogmi teorici della musica seriale e aveva sviluppato un proprio stile personale, nato principalmente dallo studio delle tradizioni musicali del XIX secolo. Opere orchestrali come Nachtgedanken (1973), le tre Sinfonie ("Fogli", 1968; "Ricordanze", 1968/69 e "Menschen-Los", 1972/73 rev. 1988) e le tre Kammermusiken (Il bosco così selvaggio, 1970; Schumann in Endenich, 1972 e Kindertage, 1973) furono create nell'ambito conflittuale delle ripetizioni ostinate di singoli motivi e ritmi e di una riduzione spesso radicale degli espedienti compositivi. Nelle sue opere teatrali La Buffonata (1959/60) e Yolimba (nuova versione 1970), entrambe su testi di Tankred Dorst, Killmayer permise ai linguaggi stilistici della parodia e dell'umorismo musicale di permeare gli ambiti della musica contemporanea.
La singola nota e la sua potenza melodica sono al centro dell'estetica di Wilhelm Killmayer. La voce è il mezzo più naturale per la melodia e questo concetto è stato confermato da Killmayer in molte delle sue composizioni vocali. Negli anni '80, compose i tre cicli di Hölderlin Lieder, che esistono in due versioni con accompagnamento pianistico o orchestrale, seguiti successivamente dagli Eichendorff Lieder (1991), dai Trakl Lieder (1993 e 1996) e dagli Härtling Lieder (1993). Nel 2006, Killmayer compose un adattamento della ballata Ali Bey di Heinrich Heine e, un anno dopo, Der Feuerreiter di Eduard Mörike.
Nel 1954, Killmayer ricevette il premio della Music Foundation di Chicago per la sua Missa brevis. Nel 1957, ricevette il Kulturpreis dalla Città di Monaco per Une leçon de français e nel 1965 il Prix Italia. Killmayer ha ricevuto una borsa di studio dalla Cité des Arts di Parigi e ha partecipato al Rostrum of Composers, sempre a Parigi, nel 1974 con la sua Sinfonia 1 "Fogli". Nel 1989 ha ricevuto il Premio Paul Hindemith sotto gli auspici dello Schleswig-Holstein Music Festival, nel 1993 il Bayerische Maximiliansorden per la Scienza e l'Arte e nel 2010 il premio per la musica da camera conferito dalla Fondazione Christoph und Stephan Kaske.
Kilmayer è membro effettivo della Bavarian Akademie der Schönen Künste (dal 1972) e della Berlin Akademie der Künste (dal 1980).

