Xəlil Ağamir oğlu Ağamirov 1897-ci ildə Zaqatala dairəsinin (hazırda Qax rayonu) Qaxbaş kəndində, kəndli ailəsində anadan olmuşdur. İbtidai təhsilini ikisinifli məktəbdə almış, 8 yaşından muzdurluq etmişdir. 1910-cu ildə Bakıya gələrək "Kaspi" mətbəəsində işə girmiş, 1912-ci ilədək burada mürəttiblik etmiş, inqilabi ədəbiyyat yaymaqla məşğul olmuşdur.

1912-ci il Xəlil Ağamirov Daşkəndə köçərək Türküstan hökumət mətbəəsində işləmiş və inqilabi işi davam etdirmişdir. 1917-ci ildə polis tərəfindən izlənərək həbs edilsə də, bir aydan sonra həbsxanadan qaçmış və həmin ildə bolşeviklər partiyası üzvlüyünə qəbul edilmişdir. Türküstan Qızıl qvardiyasına könüllü yazılmış, Kolçak, və Biçeraxov tərəfdarlarına qarşı, Fərqanə müvəqqəti hökumətinə qarşı döyüşlərdə və Daşkənd eserlərinin üsyanı yatırmaqda iştirak etmişdir. 1919-cu ildə Kolçak ordusuna qarşı döyüşlər zamanı ağır yaralanaraq ordudan tərxis edilmişdir. 1919-cu ildən 1920-ci ilin axırınadək Daşkənd partiya təşkilatlarında çalışmışdır. Daşkənd Şəhər Partiya Komitəsinin Rəyasət Heyətinin üzvü və Türküstan MSSR Mərkəzi İcraiyyə Komitəsinin üzvü olmuşdur.

1920-ci ildə Azərbaycanda Sovet hakimiyyətinin qurulmasından sonra Xəlil Ağamirov Zaqatala dairəsi inqilab komitəsinin sədri təyin edilmişdir. 1921–1923-cü illərdə o, qəza partiya təşkilatının katibi və icraiyyə komitəsinin sədri olmuşdur. 1923-cü ildən 1926-cı ilin axırınadək Bakı fəhlə fakültəsində, sonra isə Azərbaycan Dövlət Universitetində oxumuşdur.

Xəlil Ağamirov 1927–1928-ci illərdə zəlzələ nəticəsində dağılmış Şamaxı şəhərinin bərpa edilməsində fövqəladə müvəkkil olmuş, 1928–1929-cu illərdə yenidən Azərbaycan K(b)P Zaqatala Qəza Komitəsinin katibi, 1929–1930-cu illərdə isə Zaqatala-Şəki Mahal İcraiyyə Komitəsinin sədri vəzifələrində işləmişdir. 1930–1931-ci illərdə "Azərmeyvəşərabbirliyi" idarə heyətinin sədri olmuş, 1931-ci ildə Azərbaycan SSR xalq təchizat komissarı təyin edilmişdir. 1932–1934-cü illərdə Naxçıvan MSSR Mərkəzi İcraiyyə Komitəsinin sədri, 1935-ci ildə Azərbaycan K(b)P Masallı Rayon İcraiyyə Komitəsinin sədri, 1936–1937-ci illərdə isə Azərbaycan SSR xalq meşə sənayesi komissarı vəzifələrində işləmişdir.

Xəlil Ağamirov dəfələrlə Azərbaycanın rəhbər partiya və sovet orqanlarının tərkibinə seçilmişdir. 1929–1931-ci illərdə Azərbaycan K(b)P Mərkəzi Komitəsinin, Zaqafqaziya SFSR Mərkəzi İcraiyyə Komitəsinin və Azərbaycan SSR Mərkəzi İcraiyyə Komitəsinin, Bakı Sovetinin deputatı seçilmişdir.

Xəlil Ağamirov Stalin repressiyalarının qurbanı olmuşdur. O, 15 noyabr 1937-ci ildə millətçilik ittihamı ilə həbs edilmiş və Ümumittifaq Kommunist (bolşeviklər) Partiyası üzvlüyündən çıxarılmışdır. 5 iyun 1939-cu ildə Xalq Daxili İşlər Komissarlığının xüsusi iclasında 8 il müddətinə azadlıqdan məhrum edilərək islah-əmək düşərgəsinə göndərilmiş, 1940-cı ildə orada vəfat etmişdir. Ölümündən sonra, 1956-cı ildə ona bəraət verilmiş və partiya üzvlüyü bərpa edilmişdir.