Pocházel z norského Larviku, kde narodil 6. října 1914. Vystudoval zoologii na univerzitě v Oslu. V roce 1936 bádal se svou první ženou Liv Coucheron-Torp (1916–1969) na ostrově Fatu Hiva v souostroví Markézy. Měl s ní dva syny, manželství skončilo roku 1947 rozvodem. Potom byl Thor Heyerdahl ženatý ještě dvakrát. Podruhé s Yvonne Dedekam-Simonsen (1924–2006), která mu porodila tři dcery. Po rozvodu v roce 1969 si další manželství dlouho rozmýšlel, až si v roce 1991 vzal svou třetí ženu, o 18 let mladší herečku Jacqueline Beer.
Do dějin experimentální archeologie Heyerdahl vstoupil roku 1947, kdy postavil repliku inckého voru z balzového dřeva. To plave lépe ještě než touto vlastností známý korek. Své plavidlo nazval Kon-Tiki a překonal na něm část Tichého oceánu, z Jižní Ameriky z Peru doplul do Polynésie na atol Raroia. Šestičlenná posádka přitom za 101 dnů urazila 7960 km.
Touto plavbou Heyerdahl podpořil svou teorii, že praobyvatelé Tichomoří připluli do Polynésie z Jižní Ameriky, jenže ta se však nakonec stejně nepotvrdila. Vzorky krve, odebrané Polynésanům, ukazovaly jejich příbuznost jen s obyvateli jihovýchodní Asie, a ne s obyvateli Ameriky.
Po Heyerdahlově průkopnické plavbě se o totéž pokusili další odvážlivci, zatím celkem asi třináctkrát. V roce 1955 to byl i český mořeplavec Eduard Ingriš, autor známé písně Temně hučí Niagara. S Heyerdahlem se osobně poznal a jeho plavbu chtěl zopakovat se třemi nadšenci na balzovém voru Kantuta. Ten však mořské proudy zanesly stranou a Ingriš musel svůj pokus vzdát.
V letech 1955–1956 Heyerdahl pátral na Galapágách a na více místech nalezl střepy a jiné artefakty naznačující, že souostroví v předkolumbovské době zřejmě navštívili původní jihoameričtí obyvatelé. Rovněž řídil vykopávky na Velikonočním ostrově.
Jako už renomovaný mořeplavec a badatel se Heyerdahl účastnil i dalších experimentů, např. dvou výpravy s člunem Ra roku 1969 a 1970 z Maroka přes Atlantický oceán ke břehům Ameriky. Při druhém pokusu doplul až na Barbados. Plavbou v rákosovém člunu Tigris z Iráku přes Perský záliv do Indického oceánu chtěl dokázat, že civilizace se v této oblasti mohla šířit i tímto způsobem.
V roce 1991 Thor Heyerdahl začal studovat pyramidy na ostrově Tenerife a porovnával je s dalšími jinde na světě. V jejich blízkosti se roku 1994 usadil a bydlel tam až do konce života. Zemřel 18. dubna 2002 v Itálii. Jeho teorie a důkazy tzv. oficiální věda nepřijala dodnes.