Родился в 1916 году в городе Шуше Азербайджана. В 1937 году после окончания промышленного техникума работал инженером на заводе в городе Кызыл-Арват Туркмении. Член КПСС с 1941 года. В 1938 году был призван в Красную Армию — РККА. Окончил курсы усовершенствования командного состава РККА.
Боевое крещение принял в боях за Крым. Участвовал в сражениях по обороне Кавказа, в освобождении Украины (Крыма, Донбасса, Запорожья), Румынии, Венгрии, Австрии, а также прошел с боями по дорогам Чехословакии, Болгарии, Югославии.
За годы войны прошёл путь от рядового танкиста до командира танкового батальона. Летом 1943 года Халил Мамедов назначен командиром 1-го танкового батальона 3-й танковой Чаплинско-Будапештской Краснознамённой бригады 23-го танкового корпуса (2-й Украинский фронт).
Среди однополчан Халил Мамедов слыл «мастером дерзких атак», «мастером ночного наступления», «бесстрашным Мамедовым».
Глубокой ночью в канун 1942 года танковый батальон Халила Мамедова, вместе с отрядом моряков высадился в районе Феодосии — так началась операция по освобождению Керченского полуострова. На Крымской земле Халил Мамедов впервые был ранен, здесь получил свою первую боевую награду — орден Красной Звезды.
В сентябре 1943 года часть Халила Мамедова начала бои за освобождение Донбасса. За самоотверженность и героизм на полях сражений Халил Мамедов был награжден вторым орденом Красной Звезды.
Позже, за освобождение Запорожья Халил Мамедов был награждён орденом Александра Невского. Особо отличились танкисты Мамедова в период боёв на правобережной Украине. За уничтожение группировки противника, окружённой в районе Шевченковских хуторов, командир танкового батальона Халил Мамедов был награждён орденом Красного Знамени.
Танкисты Мамедова отличились и в сражениях за освобождение Румынии. В течение 15 дней боев на румынской земле они уничтожили 4 танка, два самоходных орудия, 64 пушки, 191 автомашину, 108 пулеметов и 1375 фашистских солдат и офицеров.
В конце декабря 1944 года танковый батальон Халила Мамедова форсировал Дунай и вместе с другими подразделениями принял участие в ликвидации окруженной группировки фашистов в столице Венгрии. Освобождение Будапешта и разгром противника в районе озера Балатон было выдающейся победой советских войск.
В боях за изгнание фашистов из Венгрии танкисты подразделения Халила Мамедова только за один день уничтожили 19 вражеских «тигров», «королевских тигров» и истребили до 150 солдат и офицеров противника. 9 мая 1945 года Халил Мамедов встретил на земле Чехословакии.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 марта 1945 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом мужество, отвагу и героизм майору Мамедову Халилу Мамед оглы присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 4928).
Из наградного листа:
С 1946 года Халил Мамедов майор запаса. Избирался первым секретарем Азизбековского райкома партии (1951-1952 годы). В 1955 году окончил Высшую партийную школу при ЦК КПСС. На протяжении многих лет находился на ответственной партийной работе в Бакинской парторганизации и в аппарате Центрального Комитета Компартии, избирался депутатом 4-8 созыва Верховного Совета Азербайджана.
В 1957 году был назначен заместителем министра, затем первым заместителем, а с 1960 года по 1965 годы министром охраны общественного порядка (министром внутренних дел) Азербайджана. 23 февраля 1959 года Халилу Мамедову было присвоено звание комиссара милиции третьего ранга. Генерал-майор милиции Азербайджана.
Работал заведующим отделом советских органов управления делами Совета Министров Азербайджана, с 1971 года по 1974 годы председателем Госкомитета по физической культуре и спорту Азербайджана. Пользовался большим авторитетом и уважением. Под его руководством азербайджанские спортсмены добились ощутимых результатов на всесоюзных и международных соревнованиях.
Умер 21 февраля 1989 года.
Имя Халила Мамедова носит судно ММФ[неизвестный термин], в его честь названа одна из улиц города Ашхабада.