Ο πατέρας του ήταν καθηγητής της Φυσικής και του επέτρεψε σε πολύ μικρή ηλικία να έρθει σε επαφή με συσκευές. Αφού ολοκλήρωσε το 1900 την εκπαίδευση του στο Γυμνάσιο, εισήχθη στο University of Zurich για να σπουδάσει ιατρική, απ’ όπου αποφοίτησε το 1906, ολοκληρώνοντας ταυτόχρονα και τη διδακτορική του διατριβή.
Παρά το γεγονός ότι η επιθυμία του ήταν να ασχοληθεί με τη φυσιολογία, εξωτερικοί παράγοντες τον ανάγκασαν να ειδικευτεί στη χειρουργική και αργότερα στην οφθαλμολογία. Αρχικά, έλαβε την εκπαίδευσή του από τον Καθηγητή Gaule, μαθητή του Ludwig και από τον Καθηγητή Verworn στη Βόννη. Από το 1917 ως το 1951, αναγορεύτηκε Καθηγητής και  Director of the Phychological Institute at Zurich.
Τα επιστημονικά ενδιαφέροντα του Ελβετού φυσιολόγου συνοψίζονται κατά κύριο λόγο στην αιμοδυναμική και σε σχέση με αυτό, στη ρύθμιση της αναπνοής.. Ωστόσο, ενώ η πειραματική του εργασία σχετικά με το θέμα του κεντρικού συντονισμού των βλαστικών οργάνων έχει σε γενικές γραμμές επεκταθεί, μια ολοκληρωμένη εικόνα προέκυψε από τη παράσταση του φυτικού νευρικού συστήματος στον εγκέφαλο, στην οποία έχει δοθεί και διάκριση με το βραβείο Νόμπελ. Το 1932, ο Walter Hess πρότεινε την ηλεκτρική διέγερση του εγκεφάλου, τεχνική που επιτρέπει την ηλεκτροφυσιολογική  διέγερση και των βαθύτερων περιοχών του εγκεφάλου και οδήγησε στην εξερεύνηση της λειτουργικής ανατομικής των εγκεφαλικών ημισφαιρίων. Για την έρευνά του αυτή, τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Ιατρικής ή Φυσιολογίας το 1949. Επίσης, ασχολήθηκε με τις ψυχολογικές εκφράσεις της λειτουργικής οργάνωσης του εγκεφάλου, τις κλινικές βάσεις των ψυχιατρικών φαινομένων και την οργάνωση του κεντρικού νευρικού συστήματος.
Ο Walter Hess απεβίωσε στις 12 Αυγούστου 1973.