Nato a Vienna, è figlio degli scenografi Johannes Waltz e Elisabeth Urbancic. I bisnonni lavoravano in teatro, i nonni erano attori; con una famiglia del genere alle spalle non gli dovette risultare difficile capire cosa avrebbe fatto da grande. Studia così recitazione al Max Reinhardt Seminar di Vienna e al Lee Strasberg Theatre and Film Institute di New York.
All'inizio della carriera lavora soprattutto a teatro, tra la sua città natale Vienna, Strasburgo e Zurigo poi arriva la televisione austriaca e successivamente quella tedesca. I primi successi arrivano con alcuni film tv diretti da Reinhard Schwabenitzky: "Der Einstand", "Parole Chicago" e "Feuer!". E' del 1982 il tanto sospirato debutto al cinema nei panni di  Tristano con il film di Veith von Fürstenberg "Feuer and Schwert – Die Legende von Tristan und Isolde". Seguiranno le collaborazioni con il regista polacco Krzysztof Zanussi in "Vita per vita - Padre Kolbe" e in "Fratello del nostro Dio" e la partecipazione nel 2000 all'hollywoodiano "Un perfetto criminale" dove recita al fianco di Kevin Spacey.
Ma è nel 2009 che ottiene fama internazionale: Quentin Tarantino lo rilancia nelle vesti del colonnello della SS Hans Landa nel suo pirotecnico "Bastardi senza gloria". Per la sua interpretazione dello spietato "cacciatore di ebrei", Waltz vince il Premio per il miglior attore al Festival di Cannes 2009, un Golden Globe e l'Oscar come miglior attore non protagonista. E' così sua anche la parte di un altro cattivo, quello di "The Green Hornet" di Michel Gondry, sostituendo Nicolas Cage.