Вальтер Оскар Эрнст Амелунг родился 15 октября 1865 года в городе Щецине.Начиная с 1884 года Вальтер Амелунг учился в Тюбингенском университете под руководством Эрвина Роде, а затем в Лейпцигском университете — у Иоганнеса Овербека и в Мюнхенском университете — у Генриха Брунна.
В 1891—1893 годах путешествовал по Средиземноморью и вёл исследования античной скульптуры.
В 1895 году в Риме Вальтер Амелунг начал работать с Германским археологическим институтом, где его обязанностью было составление каталога скульптур из коллекции Ватикана.Во время Первой мировой войны Амелунгу было поручено восстановление гипсовых слепков классической скульптуры в музее в Берлинском университете, а после заключения Версальского договора он возглавлял реконструкцию библиотеки Германского археологического института в Риме. Вместе с Паулем Арндтом[de] (1865—1937) являлся одним из редакторов Photographische Einzelaufnahmen antiker Skulpturen — обзора греческой и римской скульптуры.