Hallvard Magerøy drev forskning på mange forskjellige områder innenfor faget norrøn filologi, men størst betydning har han som sagaforsker. Han var tilhenger av nyere islandske forskeres syn på islendingesagaene som litteratur, skapt av forfattere på 1200-tallet med utdannelse fra datidens skoler.
Magerøy tok examen artium i Volda 1936 og embetseksamen ved Universitetet i Oslo 1946 med latin og historie som bifag og norsk som hovedfag, med norrøn filologi som spesialområde. 1947–50 var han utdanningsstipendiat ved UiO og hadde studieopphold i København og Reykjavík, 1949–52 norsk lektor ved Islands universitet, 1952–56 NAVF-stipendiat. Han tok doktorgraden 1958. 1956–62 var han medarbeider ved kommisjonen for Diplomatarium Norvegicum, 1962–73 dosent i norrøn filologi og 1974–84 professor i islandsk ved UiO.
Magerøy var særlig interessert i sagaer som var bevart i flere versjoner. En av dem, Bandamanna saga, ble emne for hans doktoravhandling, og han arbeidet med en ny utgave av den samtidig som han skrev doktoravhandlingen Studier i Bandamanna saga. Utgaven av sagateksten kom i to deler 1956 og 1976, avhandlingen 1957. Her drøfter han først om de to versjonene kan være to selvstendige opptegnelser av muntlig overleverte fortellinger, eller om de har et felles skriftlig opphav. Etter en grundig analyse av tekstene ble han overbevist om at de hadde et felles skriftlig grunnlag og at den lengste formen var den eldste og måtte legges til grunn for den nye utgaven. Og slik ble det. Ikke alle var enig i dette, og i en tidsskriftartikkel fra 1966, Dei to gjerdene (versjonane) av Bandamanna saga. Eit tilsvar og eit supplement, imøtegår han kritikk fra flere forskere.
Som medarbeider ved kommisjonen for Diplomatarium Norvegicum skulle Magerøy lede arbeidet med utgivelsen av denne viktige samlingen av norske dokumenter fra middelalderen, som hadde ligget nede siden bind 20 kom ut 1919. Arbeidet med bind 21 tok mye av hans tid også etter at han ble dosent, og ble først avsluttet 1976.
I 1970-årene arbeidet han sammen med Finn Hødnebø med nye oversettelser av kongesagaene, som ble utgitt 1979. Dermed kom han igjen inn på et felt hvor det trengtes en ny utgave av en tekst som var bevart i to versjoner, en lang og en kort, nemlig Baglersagaen, som beskriver perioden mellom kong Sverres død 1202 og hyllingen av Håkon Håkonsson 1217. Etter grundig analyse både av innholdet og av den litterære utformningen i begge versjoner kom Magerøy til at sagaen fra først av var birkebeinerkongenes historie etter Sverres død, og handlet om krigen mellom birkebeiner og bagler inntil forliket mellom dem 1208, men har senere fått et tillegg som dekker tiden mellom 1208 og 1217. Den korte versjonen viser seg å være en noe revidert tekst der tendensen er baglervennlig.
Det siste større verk som Magerøy gav ut, Soga om austmenn, er en oversikt over det bevarte kilder har å fortelle om forbindelsene mellom Norge og Island fra de eldste tider frem til 1500-tallet. Tidligere hadde han skrevet Norsk-islandske problem (1965), en god oversikt over saker som islandske og norske forskere har vært uenig om, og oversatt historikeren Jón Jóhannessons “Islands historie i mellomalderen” (1969).
Til sin 75-årsdag 1991 fikk han et festskrift der en del av hans mindre arbeider er samlet, bl.a. den svært interessante Aristoteles og Snorre, opprinnelig utgitt i en essaysamling 1986, som dreier seg om forbindelseslinjene mellom antikkens litterære normer og retorikkundervisning i middelalderens skoler.
Grundighet og fortrolighet med hele sagalitteraturen preget Magerøy som forsker, men særlig viktig er hans påvisning av de spor som skoleundervisningen i retorikk har satt i sagalitteraturen.