Thorkild Strange Bjørnvig blev født 2. februar 1918 i Mejlgade i Aarhus som søn af fabriksinspektør Theodor Frese Pedersen Bjørnvig (1882-1966) og hustruen Adda Thomine Hammel Jensen (1888-1959). I en kronik af Blixen-eksperten Jørgen Stormgaard kan man læse, at Thorkild Bjørnvigs mor forinden havde mistet to børn og derfor lovede Gud, at hvis hun blev gravid igen, skulle hendes barn tjene Herren. (Jørgen Stormgaard: Blixen og Bjørnvig: Forfattere i følelsernes faldgrube. Kristeligt Dagblad, 2018-04-06). Thorkild Bjørnvigs barndom blev derfor præget af både forkælelse og høje forventninger til den sårbare dreng.
I skolen blev han udsat for grum mobning, der gjorde ham usikker – men han fortsatte alligevel sin uddannelse og blev student fra Aarhus Katedralskole i 1938 og læste derefter sammenlignende litteratur (litteraturvidenskab) på Aarhus Universitet. Her fik han guldmedaljen for sin opgave om den tyske forfatter Rainer Maria Rilke (1875-1926) i 1946 og blev cand.mag. (der dengang hed mag.art.) i 1947. Samme år udgav han sin debutdigtsamling ”Stjærnen bag Gavlen” og mødte Karen Blixen (1885-1962). I 1948 startede han tidsskriftet Heretica sammen med bl.a. Ole Wivel (1921-2004), og Thorkild Bjørnvig var tidsskriftsredaktør indtil 1950. Heretica, der udgav sidste nummer i 1953, havde afgørende betydning for udviklingen af den litterære og kulturelle modernisme, der prægede efterkrigstiden i Danmark.
I 1960 blev Thorkild Bjørnvig medlem af den nystartede forfattersammenslutning Det Danske Akademi, og i 1979 fik han titlen æresdoktor ved Lund Universitet. Hans digtsamling ”Anubis” blev en del af Kulturministeriets kulturkanon i 2006, og hans litteratur er med i mange antologier med de bedste digte fra det 20. århundrede. Thorkild Bjørnvig fik flere børn, bl.a. med Grete Bjørnvig (1922-1985), som han blev skilt fra i 1969.
Thorkild Bjørnvig døde som 86-årig den 5. marts 2004 på Samsø, hvor han boede med sin kone, politikeren Birgit Bjørnvig (1936-2015).