Xəlil Mirzəyev 1963-cü ildə Əyyublu kənd orta məktəbini əla qiymətlərlə bitirib, həmin ildə Nəriman Nərimanov adına Azərbaycan Dövlət Tibb Instituna daxil olmuş, 1968-ci ildə İnstitutun əczaçılıq fakultəsini fərqlənmə diplomu ilə bitirib. 1968-ci ildə Institutun Elmi Şurasının qərarı ilə Xəlil Mirzəyev Farmakologiya kafedrasının aspiranturasına daxil olmuş, 1971-ci ildə həmin aspiranturanı bitirərək , "Qaraçöhrə bitkisinin kimyəvi və toksiki-farmakoloji tədqiqi" mövzusunda dissertasiya müdafiə edərək biologiya elmləri namizədi alimlik dərəcəsi adını almışdır.. Dünyanın bir sıra şəhərlərində (Moskva, Kiyev, Riqa ,Fərqanə) beynəlxalq elmi konfranslarda istirak etmisdir.. 1971-ci ildən indiyə kimi Tibb Universitetinin Farmakologiya kafedrasında dosent vəzifəsində çalışmışdır.