Młody Walter Hendrik Gustaw studiował na Uniwersytecie Technicznym w Delfcie, gdzie w 1965 roku uzyskał doktorat z fizyki. W 1966 roku wyjechał do Ameryki, gdzie został adiunktem na Massachusetts Institute of Technology. W 1968 roku awansował na profesora nadzwyczajnego fizyki, a w 1974 roku uzyskał tytuł profesora. Na MIT służył łącznie przez 43 lata – od 1966 roku do przejścia na emeryturę w 2009 roku.
Kariera thumb|Walter Lewin, 2011
Wstąpił do grupy astronomii rentgenowskiej na MIT i prowadził wraz z George’em W. Clarkiem przeglądy całego nieba za pomocą detektorów promieni X umieszczanych w balonach. Pod koniec lat siedemdziesiątych odbyło się około dwudziestu udanych lotów balonem. Te badania balonowe doprowadziły do odkrycia pięciu nowych źródeł promieniowania rentgenowskiego, które podwoiły liczbę wówczas znanych. Ponadto stwierdzono, że źródła tego promieniowania są bardzo zróżnicowane i zmienne. Niektóre są rozbłyskami rentgenowskimi, których odkrycie nie było możliwe z użyciem urządzeń zainstalowanych w rakietach, ze względu na zbyt krótki czas obserwacji. Badania z użyciem balonów doprowadziły również do odkrycia gwiazdy podwójnej GX 1 + 4, która była pierwszym wolno obracającym się pulsarem rentgenowskim. W kolejnych latach uczestniczył m.in.