Han var søn af fabrikejer Albert Thalbitzer (død 1893) og hustru Elisabeth f. Simony (død 1926) og blev student i Helsingør 1891. Thalbitzer begyndte sin videnskabelige løbebane som filolog, vandt Københavns Universitetsguldmedalje1894 for en filologisk afhandling og blev cand.mag.1899. Hans hovedinteresse blev tidligt det eskimoiske sprog. 1900-01 foretog han sin første videnskabelige rejse til Vest- og Østgrønland og har senere på flere rejser indsamlet sprogligt, folkloristisk og etnografisk materiale i Grønland. Ved sin afhandling "A phonetical study of the Eskimo language" (Meddelelser om Grønland, bd 31, 1904) vandt Thalbitzer et anset navn blandt de forskere, der har studeret Amerikas urbefolkning. I Handbook of the American languages (bind I, Washington 1911) har Thalbitzer behandlet eskimosproget. Der foreligger fra Thalbitzers hånd en lang række større og mindre afhandlinger, der ganske overvejende har eskimoisk sprog og kultur til emne. Hans største værk, "The Ammassalik Eskimo" (1914-23, Meddelelser om Grønland, bd. 39-40) er en omfattende monografi om østgrønlænderne. Dets første bind var delvis bygget på det af Gustav Holm’s "Konebådsekspedition" indsamlede materiale og indledet med Holms egen etnografiske skildring. Også af Østgrønlands arkæologi har Thalbitzer indlagt sig fortjeneste, navnlig ved sin "Ethnological description of the Amdrup collection from East Greenland" (Meddelelser om Grønland, bd. 28, 1909). Blandt hans øvrige arbejder fremhæves Grønlandske Sagn om Eskimoernes Fortid (1913) og Eskimoernes kultiske Guddomme (1926). 1920 blev Thalbitzer docent ved Københavns Universitet i grønlandsk sprog og kultur, 1926 udnævntes han til professor ved universitetet.
I 1905 ægtede han billedhugger Ellen Locher, datter af marinemaleren, professor Carl Locher og hustru f. Gullich.
Thalbitzer blev optaget i Videnskabernes Selskab i 1923. 1927 blev Loubat-prisen tildelt ham for hans fortjeneste af amerikanistiken af det svenske Kungliga Vitterhets Historie och Antikvitets Akademien. Han var æresmedlem af Société des Américanistes de Paris, af Anthropological Society of Washington, af Det grønlandske Selskab i København og grønlænderforeningen Kalatdlit. 1952 blev han æresdoktor ved Københavns Universitet.
"A phonetical study of the Eskimo language" (Meddelelser om Grønland, bind 31; 1904)
"Ethnological description of the Amdrup collection from East Greenland" (Meddelelser om Grønland, bd. 28, 1909)
Handbook of the American languages, bind I; Washington 1911
Grønlandske Sagn om Eskimoernes Fortid 1913
Eskimoernes kultiske Guddomme; 1926
tunumiut taigdliait; 1931
kalâleq; 1932
Fra Grønlandsforskningens første Dage; 1932
"Det nye Grønlandskort og de aktiske Stednavne" (Danske Studier 1934; s. 97-106)
Christian Rosing: Østgrønlænderne (Tunuamiut); (kildeudgivelse ved Thalbitzer)
Ujuâts Dagbøger; 1957 (kildeudgivelse)
"Dagbog Østgrønland. Juni 1905 - September 1906." William Thalbizers originale dagbog og fotografier fra Ammassalikområdet. Redigeret af Ole Lund. Det Grønlandske Selskabs særskrifter nr. XLIV.