M. besuchte das Realgymnasium und studierte an der Berliner Universität und der Technischen Hochschule Charlottenburg Physik. Bei Max Planck promovierte er. 1908 wurde M. wissenschaftlicher Hilfsarbeiter bei der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) (heute Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)) in Charlottenburg und befasste sich mit Problemen der Tiefsttemperaturphysik. Nach dem Ersten Weltkrieg verstärkte M. seine Arbeiten, die zur Einrichtung eines Kältelaboratoriums an der PTR führten, in dem am 7.3.1925 beim ersten Verflüssigungsversuch 200 cm³ flüssiges Helium hergestellt wurden. M. widmete sich in den folgenden Jahren der Supraleitfähigkeit von Metallen. 1933 entdeckte er eine neue Eigenschaft der Supraleiter, die als "Meissner-Ochsenfeld-Effekt" bekannt wurde. 1934 ging M. an die Technische Hochschule München. Nach dem Zusammenbruch des NS-Regimes beteiligte er sich aktiv am Wiederaufbau der deutschen Wissenschaft. 1945 bis 1950 Präsident der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, gründete er das Institut für Tiefsttemperaturen, heute "Walther-Meissner-Institut" auf dem Gelände der Forschungsinstitute in Garching.