In Iserlohn legte 1972 am Märkischen Gymnasium das Abitur ab. Danach ging Ulrich Walter für zwei Jahre zur Bundeswehr und versah den Wehrdienst an der Heeresflugabwehrschule Rendsburg in Schleswig-Holstein. Ab 1974 studierte er Physik an der Universität Köln und diplomierte 1980 erfolgreich im Fachbereich Experimentalphysik. Nach dem Studium blieb Ulrich Walter an der Universität, arbeitete dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Physikalischen Institut an seiner Doktorarbeit. 1985 promovierte er mit einem Thema aus dem Gebiet der Festkörperphysik. Der Promotion schloss sich ein zweijähriger Forschungsaufenthalt in den USA an. Seine Stationen waren das Argonne National Laboratory bei Chicago (1985/86) und die University of California in Berkeley (1986/87).
Gemeinsam mit vier weiteren Kandidaten wurde er am 03. August 1987 als künftiger Wissenschaftsastronaut für das deutsche Raumfahrerkorps ausgewählt. Am 01. November 1987 begann Ulrich Walter bei der damaligen Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLVLR, heute: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR) in Köln mit seiner Ausbildung, die er ab dem 08. Oktober 1990 am Johnson Space Center der NASA in Houston, Texas, fortsetzte. Er war von 61 europäischen Kandidaten bei der ESA-Auswahl 1991 einer von fünf deutschen Bewerbern, wurde aber damals nicht ausgewählt.
Ein Jahr nach seinem Raumflug schied Ulrich Walter aus dem deutschen Raumfahrerteam aus und leitete ab 1994 vier Jahre lang das Satellitenbildarchiv des DLR im bayerischen Oberpfaffenhofen. Im September 1998 wechselte er das Metier und arbeitete bis 2003 als Programm-Manager bei IBM Deutschland in Böblingen. Während seiner IBM-Zeit war Ulrich Walter auch oft in den Medien präsent. Im Bayerischen Fernsehen moderierte er das beliebte zweiwöchentliche Wissenschaftsmagazin „MaxQ“. Seit März 2003 ist Ulrich Walter Professor für Raumfahrttechnik und Inhaber des gleichnamigen Lehrstuhls an der Technischen Universität München.
Zu seinen Hobbys gehören Badminton, Basketball, Fußball, Popmusik, klassische Musik, Elektronik.