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Nato a Vienna il 4 ottobre 1956, è figlio degli scenografi tedeschi Johannes Waltz e Elisabeth Urbancic, la sua famiglia proviene dal mondo dello spettacolo, i nonni erano attori mentre i bisnonni lavoravano nel teatro. Ha studiato recitazione al Max Reinhardt Seminar di Vienna e al Lee Strasberg Theatre and Film Institute di New York.
Inizia la propria carriera nel teatro, lavorando a Vienna, Strasburgo e Zurigo; successivamente lavora per la televisione austriaca (compare anche in un episodio de Il commissario Rex) e poi per quella tedesca. Nel suo lungo curriculum, Waltz ha lavorato in vari film televisivi, ha preso parte al film Un perfetto criminale e ha collaborato con il regista polacco Krzysztof Zanussi, recitando nei film Vita per vita - Maximilian Kolbe e Fratello del nostro Dio.
Nel 2009 ottiene la fama internazionale grazie al regista statunitense Quentin Tarantino che gli affida la parte del colonnello delle SS Hans Landa in Bastardi senza gloria. Per la sua interpretazione dello spietato "cacciatore di ebrei", recitando in 4 lingue differenti (tedesco, francese, italiano e inglese), Waltz riceve il premio per il miglior attore al Festival di Cannes e vince sia il Golden Globe che l'Oscar come miglior attore non protagonista.
La sua nuova popolarità desta l'attenzione di Hollywood, che gli affida la parte del cattivo in The Green Hornet di Michel Gondry (sostituendo Nicolas Cage) e in Come l'acqua per gli elefanti di Francis Lawrence. Nel 2011 recita nel film Carnage di Roman Polanski e nel film I tre moschettieri. Alla fine del 2012 viene distribuito nelle sale il film di Quentin Tarantino Django Unchained, in cui Waltz recita al fianco di Jamie Foxx e Leonardo DiCaprio. La sua interpretazione in questo film gli vale un Golden Globe, un BAFTA (il più prestigioso premio inglese per il cinema) e il premio Oscar nella categoria miglior attore non protagonista.
Nel 2014 Waltz recita nel lungometraggio di fantascienza The Zero Theorem del regista Terry Gilliam ed il film Reykjavik. Sempre nel 2014 recita nel sequel della fortunata commedia Come ammazzare il capo... e vivere felici. Nello stesso anno fa un cameo nel film Muppets 2 - Ricercati e recita in Big Eyes di Tim Burton, affiancando Amy Adams. Per questo film Waltz ha ottenuto la nomination al Golden Globe come migliore attore non protagonista.
Nel 2015 entra a far parte nel cast di Spectre, 24° film di James Bond, in cui interpreta il ruolo del cattivo principale, Franz Oberhauser. Nel dicembre 2014 riceve una stella sulla Hollywood Walk of Fame di Los Angeles. Sempre nel 2015 debutta alla regia con The Worst Marriage in Georgetown, tratto da un articolo di Franklin Foer apparso sul New York Magazine e adattato da David Auburn per il cinema. Tra il 2015 e il 2016 ha recitato alcune scene per la SUPERCELL, promuovendo il gioco Clash of Clans.
Nel 2016 recita nel film The Legend of Tarzan diretto dal regista britanico David Yates.