Þórhallur Árnason fæddist 13. janúar 1891 í Narfakoti í Innri Njarðvík, sonur hjónanna Árna Pálssonar, barnakennara, og Sigríðar Magnúsdóttur, en þau hjónin voru bæði fædd og uppalin í Rangárvallasýslu.
Þórhallur lærði cellóleik hjá Rüdinger prófessor í Kaupmannahöfn og hjá Emil Leichsenring í Hamborg.
Árum saman dvaldi hann erlendis, lengst af í Hamborg, og lék þá í hljómsveitum, bæði í kvikmyndahúsum og á opinberum skemmtistöðum. Hann kom þá stundum fram sem einleikari á félagssamkomum og kirkjutónleikum. Á þessum árum kom hann til Reykjavíkur með vini sínum Otto Stöterau píanóleikara, sem þá var ungur, en varð síðar leiðandi maður í músíklífi Hamborgar og vel þekktur píanóleikari í þýzka heiminum. Þeir héldu hér saman tónleika í Nýja Bíó um vorið 1925. Þórhallur sýndi þá, að hann var orðinn dugandi cellóleikari.
Nokkru síðar settist Þórhallur að í Reykjavík og hefur síðan verið virkur kraftur í tónlistarlífi bæjarins, í hljómsveit Ríkisútvarpsins frá 1931, í hljómsveitum, síðast í Sinfóníuhljómsveitinni og auk þess komið fram sem cellóleikari í sambandi við opinbera tónleika í marga áratugi.
Þórhallur hefur samið lög fyrir söng og hljómsveit, sem enn eru óprentuð. Lagið „Skúlaskeið“ (Grímur Thomsen), sem er tilþrifamikil ballata, hefur verið sungin opinberlega og vakið verðskuldaða athygli.