Вальтер Бааде, сын учителя, окончил школу в 1912 году, после изучал в университетах Мюнстера и Гёттингена математику, физику, астрономию и геофизику. По окончании Гёттингенского университета (1918) был принят на работу в обсерваторию Гамбургского университета. Его работы были посвящены кометам, астероидам, переменным звёздам. Работая в астрономической обсерватории, 30 октября 1920 года он совершил открытие астероида Идальго, а 23 октября 1924 года открыл астероид Ганимед. До 1931 работал в Гамбурге.
С 1931 по 1958 годы жил в США и работал на крупнейших телескопах Маунт-Вильсоновской и Паломарской обсерваторий. В 1943 году Бааде удалось разложить на звёзды центральную часть спиральной галактики Андромеды и её спутника — эллиптическую галактику. Проводя наблюдения ближайших галактик с помощью 100-дюймового телескопа на Маунт Вильсон, он доказал, что в центральной области галактики Андромеды концентрируются звёзды того же типа, что и в шаровых скоплениях и эллиптических галактиках — это население II, старейшие объекты Вселенной. В спиральных рукавах этой галактики Бааде обнаружил концентрацию пыли и газа, наряду с молодыми звёздами высокой светимости — население I. Вскоре эти различия объяснила теория звёздной эволюции, на основе которой стали понятны корреляции между пространственным распределением, химическим составом и кинематикой звёзд. В 1949 году открыл астероид Икар, орбита которого заходила внутрь орбиты Меркурия.
В 1952 году пришёл к выводу, что употреблявшуюся до того времени шкалу межгалактических расстояний нужно удвоить. Более поздние работы посвящены строению и развитию Млечного Пути и других галактик.
В 1958 году вернулся в Германию, работал в Гёттингенском университете.
Астероид под номером 1501 носит его имя.