En décembre 1875, Marie et Emilie Mertzdorff assistent au « grand dîner » que donne leur oncle Alphonse Milne-Edwards « en l’honneur de M. Filhol jeune voyageur qui est parti avec l’expédition de Vénus et qui a fait le tour du monde en rapportant beaucoup de collections » (lettre du 3 décembre 1875).

Henri Filhol naît à Toulouse, où son père Édouard Filhol (1814-1883) est conservateur du muséum. Il termine ses études à Paris, où il obtient le titre de docteur ès science et de docteur en médecine avec sa thèse : De la sensibilité récurrente dans la main (1873).
Comme docteur, naturaliste et géologue, il participe à la mission que l’Académie des Sciences envoie à l’Ile Campbell, dans l’océan Pacifique, sous la direction de Bouquet de La Grye, afin d’observer le passage de Vénus sur le soleil. Il participe ensuite à plusieurs autres expéditions, à bord du Travailleur (1880, 1881 et 1882) et du Talisman (1883).
Henri Filhol enseigne la zoologie à la Faculté de Toulouse avant de devenir sous-directeur du laboratoire de zoologie anatomique au Muséum national d'histoire naturelle de Paris (à partir de 1885), puis professeur titulaire de la chaire d'anatomie comparée (à partir de 1894).
Henri Filhol publie plusieurs études sur les fossiles et la préhistoire du Sud-Ouest de la France, ainsi que La vie au fond des mers, les explorations sous-marines et les voyages du Travailleur et du Talisman (1885) ; il participe aux volumes de l’Histoire naturelle des mammifères, avec Alphonse Milne-Edwards et Alfred Grandidier (Imprimerie nationale, 1875-1897). Avec Maurice Lévy (1838-1910), Albert Gaudry (1827-1908), Louis Passy (1830-1913) et Henri Moissan (1852-1907), Henri Filhol prononce un discours aux funérailles d’Alphonse Milne-Edwards (Firmin-Didot, 1900).

Henri Filhol épouse Berthe Péligot (lettre du 10 décembre 1879). Ils ont trois enfants.