С 1919 до 1921 года был членом Добровольческого корпуса Баренфельда в Гамбурге. Получил высшее юридическое образование, в 1928 году стал доктором права. В 1928—1937 годах работал прокурором в земельном суде Гамбурга. С сентября 1933 года — штатсанвальт, с 1 февраля 1937 года — оберрегирунгсрат и криминальный советник. 1 декабря 1932 года вступил в НСДАП (билет № 1 409 449), 1 апреля 1939 года — в СС (билет № 310 172) и получил чин гауптштурмфюрера.
С февраля 1937 по февраль 1941 года — старший правительственный советник (Oberregierungsrat) и начальник криминальной полиции Гамбурга. С 15 февраля 1941 по 24 июня 1942 года — инспектор полиции безопасности и СД (Inspekteur der Sicherheitspolizei und des SD) в Дюссельдорфе. С сентября 1941 по апрель 1942 года — командующий полицией безопасности и СД (Befehlshaber der Sicherheitspolizei und des SD) в Бельгии и Северной Франции («Belgien-Nordfrankreich»). Руководил арестами противников режима, организатор террора против мирного населения.
30 июня 1942 года сменил группенфюрера СС Отто Олендорфа на посту командующего Айнзатцгруппы «Д» (с мая 1943 года — боевая группа «Биркамп»), осуществлявшей массовый террор против гражданского населения на Южной Украине и в Крыму. Руководил расстрелами и уничтожением советских граждан в «душегубках» («Gaswagen»).
В августе 1942 года Айнзатцгруппой «Д» во главе с Биркампом в Змиёвской балке были расстреляны и умерщвлены другими способами около 27 тысяч жителей Ростова-на-Дону.
Когда летом 1942 года Вермахт начал новое крупномасштабное наступление и захватил Северный Кавказ, за ним последовала и Айнзатцгруппа «Д» во главе с Биркампом. Уже в августе 1942 года она стала осуществлять массовое уничтожение еврейского населения. Ею были уничтожены воспитанники детских домов в Краснодаре и Ейске с помощью «душегубок». 500 евреев из Краснодара были расстреляны в лесу на городской окраине 21 и 22 августа. То же самое произошло 1 сентября 1942 года в Минеральных Водах. Затем 9-10 сентября Айнзатцгруппа «Д» уничтожила еврейское население Ессентуков и Кисловодска. Евреи Пятигорска были убиты Айнзатцгруппой «Д» с помощью «душегубок». В целом, тогда ею было убито более 6 тысяч евреев. Оставшихся в живых некоторое время использовали на принудительных работах, но затем они были уничтожены 4-5 января 1943 года в Кисловодске. Общее число жертв деятельности Айнзатцгруппы Вальтера Биркампа в этот период составило примерно 10 тысяч человек.
С 15 июня 1943 года Биркамп — командующий полицией безопасности и СД в Генерал-губернаторстве (со штаб-квартирой в Кракове). Организатор массовых депортаций евреев в концлагеря и расстрелов польских патриотов.
С января 1945 года — командующий полицией безопасности и СД на «Юго-Западе» (штаб-квартира в Штутгарте), с 20 февраля 1945 года — заместитель высшего руководителя СС и полиции на «Юго-Востоке» (штаб-квартира в Бреслау), затем до 17 марта 1945 года — высший руководитель СС и полиции на «Юго-Востоке». С 17 марта до середины апреля 1945 года Биркамп снова занимал пост командующего полицией безопасности и СД на «Юго-Западе».
Вскоре после окончания войны покончил жизнь самоубийством.