Han var sønn av ingeniør Halvor Heyerdahl (1825–1900) og Hilda Margreta Haak (1834–1917), og flyttet til Drammen i 1859, der faren var blitt stadsingeniør og brannsjef. Hans giftet seg 1879 med Maren Christine Heyerdahl (1854–1931) og 1908 med Olga Westergaard (1873–1957).
Fra 1878 til 1882 var han i Paris og innledet med gullmedalje under Verdensutstillingen i Paris (1878) for Adam og Evas fordrivelse fra Paradiset. Debuten kom under Salon des Beaux Arts i Paris med komponisten Johan Svendsen (1840–1911). Hans ble påvirket av Léon Bonnats skole, der friluftsmaleriet står sentralt. For Det døende barn (1881) mottok han Grand Prix du Florence på Salonen i Paris og stipend for to års opphold i Firenze. Dit reiste han samme høst, og ble boende og arbeide der fram til 1884.
Fra 1884 til 1900 arbeidet Heyerdahl i Kristiania. Somrene ble tilbrakt i Åsgårdstrand der han møtte unge lovende Edvard Munch (1863–1944). Heyerdahl ble en viktig representant for realismen i norsk kunst, og utførte portretter (blant annet av Frits Thaulow (1885, finnes hos Nasjonalgalleriet), Knut Hamsun og Henrik Ibsen (1893 eller 1894, finnes hos Nasjonalmuseet) og landskaper, samt flere nordiske historiske motiver.
Fra århundreskiftet arbeidet Heyerdahl omkring seks år i Paris og laget mollstemte vinterbilder påvirket av nordisk nyromantikk. Heyerdahl ble 21. januar 1904 ridder av St. Olavs Orden «for fortjenstfuld kunstnerisk virksomhet». Den største offentlig tilgjengelige samlingen av Heyerdahls bilder finnes i Heyerdahlrommet i Drammens Museum. Her henger 36 av hans bilder. Samlingen er består i hovedsak av en testamentarisk gave fra grosserer P. H. Mathiessen i 1948. Flere av hans viktige arbeider kan sees i Nasjonalgalleriet (bl.a. Svart-Anna). Hans Heyerdahls bilder omsettes jevnlig på kunstauksjoner til høye priser.
^Norsk biografisk leksikon, oppført som Hans Olaf el. Olai Halvor Heyerdahl, Norsk biografisk leksikon ID Hans_Heyerdahl, besøkt 9. oktober 2017[Hentet fra Wikidata]
^Union List of Artist Names, ULAN 500122046, utgitt 2. november 2017, besøkt 21. mai 2021[Hentet fra Wikidata]
