Вальтер Грайнер родился 29 октября 1935 года в Нойенбау[de] (ныне в составе общины Юденбах, район Зоннеберг, Тюрингия).
В 1956 году он поступил во Франкфуртский университет имени Иоганна Вольфганга Гёте, где изучал физику и математику, а в 1958 году окончил его, получив степень бакалавра.
В 1960 году Грайнер получил степень магистра в Дармштадтской высшей технической школе, представив диплом под названием «Плазменные реакторы» .
В 1960—1962 годах Грайнер работал во Фрайбургском университете. Там же в 1961 году он защитил диссертацию на тему «Ядерная поляризация в мюонных атомах» (нем. Die Kernpolarisation in -Mesonenatomen), его научным руководителем был Ганс Маршалл[de].
В 1962—1964 годах Грайнер работал в Мэрилендском университете в должности ассистента.
В 1964 году Грайнер принял предложение возглавить кафедру теоретической физики Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте, и с января 1965 года стал профессором этого университета.
В 1965—1995 годах он был директором Института теоретической физики Франкфуртского университета, а в 2001—2002 годах — деканом физического факультета.
В 2003 году, совместно с Вольфом Зингером[de], Грайнер был сооснователем Франкфуртского института перспективных исследований[de].