Dzimis Bormaņu muižas skrodera Augusta Ķimeļa un Emīlijas Ķimeles (Serdantes) ģimenē.

1928.g. pārceļas uz dzīvi Rīgā. 1933.-1934.g. dien Latvijas valsts obligātajā karadienestā 6. Rīgas kājnieku pulka sakaru rotā. Tūlīt pēc dienesta iestājas Latvijas Aktieru arodbiedrības teātra skolā, kuru beidz 1938.g.  No 1938.g. līdz Latvijas okupācijai 1940.g.ir Latvju Drāmas ansambļa aktieris, kur režisora Voldemāra Pūces vadībā darbojās kopā ar Mihaila Čehova audzēkņiem Irīnu Liepu, Artūru Kalēju, Mildu Klētnieci, Valiju Skujenieci, Pēteri Vasaraudzi, nospēlējot ANTIŅU Raiņa "Zelta zirgā", VARI A. Brigaderes "Maijā un Paijā", KVANU Klabundas "Ķiršu dārza svētkos".

1940.g. īsu brīdi strādāja Latvijas Nacionālajā teātrī, bet, dibinoties LPSR Jaunatnes teātrim, pāriet uz turieni, teātra atklāšanas izrādē Ļ.Tolstoja "Zelta atslēdziņa" nospēlējot BURATINO. Arī turpmāk galvenās lomas, kurām raksturīgs gaišums, dzīves apliecinājums, - JONS (Brušteine "Gaišzilais un sārtais", rež. R. Baltaisvilks), PĀVELS KORČAGINS (Ostrovska "Kā rūdījās tērauds", rež. E.Viesture). Tāpat kā Latvju Drāmas ansamblī, viņa partnere lielākoties ir Milda Klētniece.

Vācu okupācijas laikā teātris tika likvidēts. Vilis Ķimelis un viņa sieva Dagmāra Lācis, kas bija dzīvojusi Maskavā, padomju Krievijā, tika apcietināti un gadu pavadīja cietumā. Pēc iznākšanas no cietuma Vilis tika iesaukts vācu armijas Latviešu leģionā, no kura aizbēga un slēpās līdz kara beigām.

1944.g. Jaunatnes teātris rež. B. Praudiņa vadībā atsāka darbu ar Raiņa "Krauklīti", kur V.Ķimelis spēlēja VENTA lomu. Nākamajā izrādē - A. Upīša "Laimes lācī" viņš spēlēja JEŠKU. Turpmākajos gados Vilis Ķimelis nospēlēja daudzas galvenās zēnu un jauno varoņu lomas A.Brigaderes, A.Sakses, V.Rozova u.c. latviešu un padomju autoru lugās.

1961. gadā, direktora N.Kārkliņa un galvenā režisora Ā. Šapiro aicināts, V.Ķimelis kļuva par Jaunatnes teātra direktora vietnieku. 10 gadus viņa vadībā spiedīgajos padomju laikos tika radītas spožākās scenogrāfu A. Freiberga, I.Blumberga, V.Kovaļčuka ieceres slavenajām Ā.Šapiro, P.Pētersona, N.Šeiko izrādēm.

V.Ķimelis ir piedalījies daudzās latviešu filmās ("Ceplis", "Egle rudzu laukā", "Īsa pamācība mīlēšanā", "Tās dullās Paulīnes dēļ" u.c.) kā epizodisko lomu atveidotājs.

No 1971.g. V.Ķimelis ir pensijā.

No 2006.g bija Valsts Kultūrkapitāla fonda mūža stipendiāts.

Režisores Māras Ķimeles un vēsturnieces Gundegas Ķimeles tēvs.