Originaire de Diepoldsau (SG), Walter Thurnherr est né en 1963 à Muri (AG). Il a achevé des études de physique théorique en 1987 à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich.

Il a débuté sa carrière au sein du DFAE en 1989, étant stagiaire à Berne et Moscou. De 1991 à 1995, il a travaillé à la section planification du DFAE à Berne, assistant dès 1993 l'ambassadeur Edouard Brunner dans ses fonctions de représentant spécial du Secrétaire général des Nations Unies. Dans le cadre de la présidence suisse de l'OSCE, il a représenté la Suisse de 1994 à 1997 dans la procédure de médiation portant sur le conflit du Nagorny-Karabakh.

Puis de 1995 au printemps 1997, Walter Thurnherr a travaillé avec le titre de ministre auprès de l'ambassade de Suisse à Moscou. De mars 1997 à mai 1999, il a été collaborateur personnel du conseiller fédéral Flavio Cotti. Ministre et chef suppléant de la Division politique VI, il a été nommé en mai 2000 ambassadeur et chef de cette division.

De juin 2002 à janvier 2003, il a occupé les fonctions de secrétaire général du Département fédéral des affaires étrangères, avant de rejoindre en février 2003 le Département fédéral de l'économie pour y occuper les mêmes fonctions. Depuis le 1^er janvier 2011, Monsieur Thurnherr est secrétaire général du Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication.