1953'te Ankara Devlet Konservatuvarı tiyatro bölümünü bitirdi. Aynı yıl sahneye çıktığı Devlet Tiyatroları'nda, kısa bir ara dışında 1963'e değin oynadı. Schiller'den Maria Stuart (1953), Reşat Nuri Güntekin'den Tanrıdağı Ziyafeti (1954), Turgut Özakman'dan Güneşte On Kişi (1954), Cevat Fehmi Başkut'tan Harput'ta Bir Amerikalı (1955), Sha...
1953'te Ankara Devlet Konservatuvarı tiyatro bölümünü bitirdi. Aynı yıl sahneye çıktığı Devlet Tiyatroları'nda, kısa bir ara dışında 1963'e değin oynadı. Schiller'den Maria Stuart (1953), Reşat Nuri Güntekin'den Tanrıdağı Ziyafeti (1954), Turgut Özakman'dan Güneşte On Kişi (1954), Cevat Fehmi Başkut'tan Harput'ta Bir Amerikalı (1955), Shakespeare'den On İkinci Gece (1955), Gerhart Hauptmann'dan Rose Bernd (1962) gibi oyunlarda rol aldı.Özellikle Edmund Morris'in Tahta Çanaklar (1956), Özakman'ın Duvarların Ötesi (1958) ve Tennessee Williams'ın Arzu Tramvayı 'ndaki (1960) tiplemeleriyle büyük övgü topladı.
Sonraki yıllarda zaman zaman özel tiyatrolarda da çalıştı.Arena Tiyatrosu'nda oynadığı George Bernard Shaw'dan Sezar ve Kleopatra (1963) oyunuyla İlhan İskender Armağanı'nı kazandı.1970'lerin ortalarında bir kez daha Devlet Tiyatroları'na döndü.1977'de TRT'ye seslendirme yönetmeni oldu.
1970'lerde tiyatrodan koparak kendini sinema ve televizyon çalışmalarına verdi.1973'te Dinmeyen Sızı filmindeki rolüyle Antalya Altın Portakal Film Festivali'nde en iyi yardımcı erkek oyuncu ödülü'nü kazandı.Önal, 10 Ekim 1982'de bir turne için gittiği İzmir'de beyin kanamasından öldü.
Yaşamının son yıllarında yaşadığı ekonomik sıkıntı yüzünden kazandığı Altın Portakal ödülünü bir rehinciye bırakmak zorunda kalmış ve bir daha da geri alamamıştır.Bu olayın anısına 1999'dan beri her yıl, bir sinema emekçisine Antalya Altın Portakal Film Festivali kapsamında Yıldırım Önal Anı Ödülü verilmektedir.
Sanatçının bir filmindeki "Karım Stella'da beni terketti" replik sözleri ünlüdür.
