Narodil se 2. dubna 1894 v St. Gallen jako syn pekaře. Svou první pilotní licenci získal v roce 1917 a o rok později dokončil výcvik jako vojenský pilot. Spolu s Alfredem Comtem založili ke dni 5. listopadu 1919 podnik Comte, Mittelholzer, and Co. zabývající se leteckou fotografií a leteckou přepravou pasažérů. V roce 1920 se spojili s finančně silnější společností Ad Astra Aero. Mittelhofer se stal ředitelem společnosti a jejím hlavním pilotem.
Mittelholzerovi se jako prvnímu podařilo přeletět celou Afriku ze severu na jih. Trvalo mu to 77 dní. Startoval v Curychu 7. prosince 1926, letěl přes Alexandrii a přistál 21. února 1927 v Kapském Městě. O něco dříve v roce 1923, byl prvním kdo provedl vážný letecký průzkum Špicberků v jednoplošníku firmy Junkers.[1] Dne 15. prosince 1929 se zapsal do dějin jako první člověk, který přeletěl přes horu Kilimandžáro. Plánoval i přelet nad Mount Everestem v roce 1930.[2][3] V roce 1931 byl jmenován technickým ředitelem nové letecké společnosti Swissair, která vznikla sloučením společností Ad Astra Aero a Balair.[4]
Během života publikoval mnoho knih s leteckými fotografiemi a propagoval své expedice ve filmech a médiích.[5] Zemřel v roce 1937, kdy zahynul při horolezecké expedici na horský masiv Hochschwab ve Štýrsku.[6]
Spolu s dalšími švýcarskými průkopníky letectví je připomínán na švýcarské poštovní známce vydané v lednu 1977. Jeho dědictvím je 18500 leteckých fotografií, které uchovává knihovna ETH v Curychu.
Im Flugzeug dem Nordpol entgegen: Junkers'sche Hilfsexpedition für Amundsen nach Spitzbergen, 1923 (spolu s Kurtem Wegenerem, Adolfem Miethem, Hansem Boykowem). Orell Füssli, 1924
Die Schweiz aus der Vogelschau: 274 Abbildungen aus der Sammlung von Walter Mittelholzer (spolu s Otto Flückiger. Eugen Rentsch, 1926
Persienflug (spolu s Otto Flückiger). Orell Füssli, 1926
Kilimandjaro Flug. Orell Füssli, 1930
Alpenflug (spolu s F. Hass, Hans Kempf, Willi Fritz Burger). Orell Füssli, 1930
Mittelmeerflug, mit 120 Fliegeraufnahmen und einer Einleitung (spolu s Gustav Ehrhardt). Rascher & cie, 1930
Tschadseeflug: Mit dem drei-motorigen Fokker der Swissair durch die Sahara zum Tschadsee (spolu s Auguste Piccard). Schweizer aero-revue, 1932
Abessinienflug: Mit dem dreimotorigen Fokker an den Hof des Negus Negesti. Schweizer aero-revue, 1934
Fliegerabenteuer (spolu s Willi Rickmer Rickmers, Werner von Langsdorff). Brockhaus, 1938
Die Schweiz von damals, 1917–1937: 350 historische Flugaufnahmen (spolu s Walter M. Borner). Weltbild-Verlag, 2005
↑CAPELOTTI, Peter Joseph. By Airship to the North Pole: An Archaeology of Human Exploration. [s.l.]: Rutgers UP, 1999. Dostupné online. ISBN978-0-8135-2633-1.Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑ Flight Over Mount Everest Is Planned by Swiss Flier. New York Times. 1930-08-07.Je zde použita šablona {{Cite news}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑ Swiss Finds Backers for Everest Flight; Mittelholzer Says His Attempt Awaits Building of Motors Efficient at 15,000 Feet. New York Times. 1930-08-16.Je zde použita šablona {{Cite news}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑MOTUM, John. Putnam Aeronautical Review. [s.l.]: Naval Institute Press, 1990. Dostupné online. ISBN978-0-87021-610-7. S. 194.Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑SURBER, Kaspar. Walter Mittelholzer Revisited. From the Walter Mittelholzer Photography Archive. Zurich: Scheidegger & Spiess, 2017. ISBN978-3-85881-543-9.Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑World Airline Record. [s.l.]: R.R. Roadcap, 1965. Dostupné online. S. 233.Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.