Nipote di due attori teatrali, nasce e cresce a Vienna, in Austria, da due designers, Johannes Waltz ed Elizabeth Urbancic. Desideroso di proseguire il mestiere dei nonni, studia recitazione presso il Max Reinhardt Seminar della capitale, spostandosi poi a New York per specializzarsi al Lee Strasberg Theatre and Film Institute. I primi lavori sono tutti teatrali, soprattutto sui palcoscenici di Zurigo e Salisburgo, nel frattempo si sposa e mette al mondo tre figli. Purtroppo, però, il matrimonio non va come entrambi pensano e dopo la nascita del terzo figlio, la coppia si sfascia. Lei rimane a vivere a Berlino con i figli, lui si trasferisce a Londra. Nella tv tedesca riscuote poi un enorme successo dopo aver partecipato a fiction dirette da Reinhard Schwabenitzky: Der Einstand (1977), Parole Chicago (1979) e Feuer! (1979).
L'esordio in Germania
Dopo il film tv Dr. Margarete Johnsohn (1982) di Dagmar Damek, debutta al cinema nel ruolo di Tristano nel film di Veith von Fürstenberg Feuer and Schwert - Die Legende von Tristan und Isolde (1982). Successivamente torna nel piccolo schermo, dove continua a partecipare a telefilm come Un caso per due (1985), Lenz oder die Freiheit (1986), L'Ispettore Derrick(1986-1988) e Il Commissario Kress (1986-1990). Protagonista de Più veloce della luce (1989), è spesso diretto da Krzysztof Zanussi, poi recita nelle fiction Caterina di Russia (1995) con Jeanne Moreau, L'affare Herder (1998) e Ten - Omicidi in serie (2008), apparendo in qualche puntata de Il Commissario Rex (1996).
I film americani e la Palma d'Oro
Lavora persino accanto a Kevin Spacey in Un perfetto criminale (2000) di Thaddeus O'Sullivan e nella pellicola fantasy She (2001), ma la sua grande occasione arriva con la pellicola Bastardi senza gloria (2009) di Quentin Tarantino, accanto a Brad Pitt, Eli Roth, Michael Fassbender e Diane Kruger. E il suo ruolo è così ben recitato che non solo il Festival di Cannes lo omaggia con la Palma d'Oro come miglior attore, ma vince anche il premio Oscar nella categoria Miglior Attore Non Protagonista, che gli aprirà le porte di Hollywood. Tanto è vero che nel 2010, ha già all'attivo un film con Cameron Diaz: The Green Hornet (2010). E, nel 2011, recita in Come l'acqua per gli elefanti, accanto a Reese Witherspoon e Robert Pattinson; nel dramma da camera Carnage, di Roman Polanski (presentato alla Mostra del cinema di Venezia); e in Tre moschettieri 3D, di Paul W.S. Anderson. Torna poi a fare il "cattivo" per Tarantino nel western Django Unchained, vincendo il suo secondo Oscar come miglior attore non protagonista. Sempre più attivo negli States, sarà protagonista del film di Terry Gilliam presentato alla 70. Mostra di Venezia The Zero Theorem (2013), parteciperà poi a Big Eyes (2014) di Tim Burton, alla commedia Come ammazzare il capo 2 (2014) e a Spectre - 007 (2015) di Sam Mendes. Nel 2016 sarà poi tra i protagonisti di The Legend of Tarzan di David Yates e l'anno dopo sarà in Downsizing di Alexander Payne.
Nel 2019 ha diretto e interpretato Georgetown, e nel 2020 ha recitato per Woody Allen (Rifkin's Festival) e Wes Anderson (The French Dispatch).
