После окончания средней школы в Изерлоне в 1972 году и двухлетней службы в Бундесвере в качестве инструктора армейской школы ПВО Ульрих Вальтер поступил в Кёльнский университет. В 1980 году он получил диплом по экспериментальной физике, а в 1985 году — докторскую степень в области физики твёрдого тела.
В 1985—1987 гг. работал в Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго и Калифорнийском университете в Беркли.
В августе 1987 года в Германии был проведён набор астронавтов для полёта по программе Spacelab D-2 на космическом корабле «Спейс Шаттл». Ульрих Вальтер оказался одним из пяти отобранных кандидатов. С 1988 по 1990 год он проходил общекосмическую подготовку в Германском аэрокосмическом центре (DLR). Подготовка, в частности, включала полёты на самолёте КС-135 по параболической траектории на временную невесомость. Ульрих совершил на нём более 1300 полётов.
В сентябре 1990 года получил назначение в экипаж в качестве специалиста по полезной нагрузке. Параллельно с прохождением подготовки в 1991—1992 гг. был одним из кандидатов от Германии в отряд астронавтов ЕКА, но зачислен не был.
Свой единственный космический полёт Ульрих Вальтер совершил 26 апреля — 6 мая 1993 года на американском шаттле «Колумбия» (STS-55). Полезной нагрузкой являлась лаборатория Spacelab D-2. Было выполнено около 90 экспериментов в области естественных наук, физики, робототехники, астрономии, изучения земной атмосферы. Ульрих Вальтер провёл в этом полёте 9 суток 23 часа 39 минут 59 секунд.
В 1993 году, вскоре после выполнения полёта, покинул отряд астронавтов DLR. В 1994 году возглавил Германский архив снимков из космоса в DLR (Оберпфаффенхофен). После того как немецкие астронавты были переведены в отряд астронавтов ЕКА, он уволился из DLR и перешёл работать в немецкое отделение IBM.
С марта 2003 года Ульрих Вальтер — полный профессор Мюнхенского технического университета, возглавляет кафедру аэрокосмических технологий на факультете машиностроения.
Автор книги о своём космическом полёте «За 90 минут вокруг Земли» (1997), а также более 60 научных работ. Кроме того, работает ведущим научно-популярного шоу «MAXQ — Жажда знаний» на баварском телевидении.
Женат, имеет двоих детей.