Er studierte Medizin, Germanistik, Volkskunde, klassische Philologie und Geowissenschaften in Heidelberg, Göttingen und Bonn. Nach dem philologischen Staatsexamen promovierte er 1961 bei Gerhard Eis mit dem Thema Die Cirurgia Peters von Ulm. Seine Assistentenzeit verbrachte er in Göttingen und Bonn bei Gernot Rath und Johannes Steudel. 1968 legte er das medizinische Staatsexamen in Bonn ab und promovierte 1969 erneut. Im gleichen Jahr wurde er zum Professor für Germanistik nach Stockholm berufen.
Seine Lehrbefugnis (venia legendi) für das Fachgebiet Geschichte der Medizin erwarb er 1971 in Freiburg bei Eduard Seidler. Im Anschluss übernahm er kommissarisch das Amt des Direktors des Marburger Instituts für Geschichte der Medizin. Von 1973 bis 2003 war er ordentlicher Professor in Würzburg und stand zugleich dem dortigen Institut für Geschichte der Medizin vor. Sein wissenschaftlicher Schwerpunkt ist die Fachprosaforschung. 2003 wurde ihm die Ehrendoktorwürde der Schlesischen Universität Troppau verliehen. Gundolf Keil ist seit 2004 Emeritus.