1938年11月生于湖北武汉。厦门大学化学系物理化学专业毕业(1962)和该专业催化理论方向研究生毕业（1966），后留校教至今。期间曾作为访问学者在美国MIT化学系研究年余（1982～1983）。先后任厦门大学化学系教授（1987～）、系主任（1991～1996）、固体表面物理化学国家重点实验室主任和化学化工学院院长（1996～2003），中国化学会常务理事、中国科学院化学部常委、教育部科技委化学部主任和化学教学分指导委员会副主任、国务院学科评议组成员，厦门大学理工科和固体表面物理化学国家重点实验室学术委员会主任。60年代初就参与配位催化的基础研究，后来又在专著中详细阐述了配位催化原理。80年代初，对固氮酶几种重要底物多核络合方式的量子化学计算为固氮酶活性中心模型的优化提供了重要依据。90年代初主持轻质烷烃临氧定向转化的研究以来，在甲烷氧化偶联含氟催化剂的结构、酸碱性与催化性能关系，特别在活性氧物种及其反应性能的原位光谱表征等方面取得了系统的创新性成果，对形成有关催化剂的设计构思和发展有关新概念具有重要的学术意义。近年来，万惠霖主持的课题组基于对负载型贵金属催化剂上甲烷部分氧化（POM）反应机理的深入研究，提出其机理差异源于催化剂表面晶格氧物种浓度差异的具有相当普适性的结论，发现并阐明La2O3表面激光诱导的O22-形成及其机理，采用小簇模型，对甲烷和丙烷在氧化钼上的活化进行了系统理论研究。与同事合作在国内外刊物上发表论文350多篇，出版专著1部，获国家自然科学三等奖2项，国家教育部科技进步一等奖2项和二等奖3项，获发明专利15项。1997年当选为中国科学院院士。