Mittelholzer trat als Fotograf (das Handwerk hatte er sich autodidaktisch angeeignet) in die von Oskar Bider geleitete Militärpilotenschule ein. 1917 erwarb er das zivile Fliegerbrevet. Mit seinem Fluglehrer Alfred Comte 1919 gründete Mittelholzer die erste schweizerische Luftverkehrsgesellschaft Ad Astra Aero, die 1931 mit der Balair (1925 gegründet) zur Swissair fusionierte und deren erster Präsident und Flugkapitän Mittelholzer war. 1923 Rettungsaktion für den Polarforscher Roald Amundsen auf Spitzbergen. Mittelholzers Expeditionsflüge in Persien und Afrika, über die er Filme drehte und vielübersetzte Bücher mit eigenen Fotografien publizierte, waren Medienereignisse und machten ihn international bekannt. 1924 wurde Mittelholzer Teilhaber der von Lazar Wechsler gegründeten Praesens Film AG. Der Höhepunkt seiner Laufbahn erreichte er 1927, als er mit einem Wasserflugzeug den afrikanischen Kontinent von Nord nach Süd durchquerte. 1931 wurde Mittelholzer der erste Flugkapitän und der erste Direktor der Swissair. Neben Oskar Bider und W. Ackermann ist Mittelholzer der bekannteste Pionier der schweizerischen Luftfahrt. Mittelholzer ist auch ein Pionier der Flugfotografie, die er als erster in der Schweiz für kartografische Zwecke einsetzte. Mittelholzer überflog 1930 als erster den Kilimanjaro, die Gipfelaufnahmen machten ihn weltberühmt. Er stürzte auf einer Klettertour an der Stangenwand in Österreich zu Tode. Mittelholzer flog in 40 verschiedenen Flugzeugen rund 9000mal und brachte rund 40 000 Fotos zurück. Diese liegen bei der Stiftung Luftbild Schweiz in Dübendorf, deren Archiv bis 2013 von der ETH Zürich übernommen wird.
Einzelpublikationen
«Die Walliser Bergriesen» (Schreibmappe), Goessler, Zürich 1923; «Im Flugzeug dem Nordpol entgegen. Junkers'sche Hilfsexpedition für Amundsen nach Spitzbergen», Orell Füssli, Zürich 1924; «Die Schweiz aus der Vogelschau», Rentsch, Erlenbach 1924; «Persienflug», Orell Füssli, Zürich 1926; «Afrika-Flug» (mit René Gouzy und — Arnold Heim), Orell Füssli, Zürich 1927; «Alpenflug», Orell Füssli, Zürich 1928; «Ansichtskarten aus dem Hochgebirge der Schweiz», Wilhelm Pleyer, Zürich 1930; «Mittelmeerflug», Rascher, Zürich 1930; «Kilimandjaro-Flug», Orell Füssli, Zürich 1930; «Tschadseeflug», Schweizer Aero-Revue, Zürich 1932; «Fliegt mit der Swissair», Swissair, Kloten 1933; «Abessinien-Flug», Schweizer Aero-Revue, Zürich 1934; «Flying Adventures», Blackie & Son, London 1936; H. Koenig, «Rotarier Walter Mittelholzer, 1894-1937», Tschudy, St. Gallen 1937; «Fliegerabenteuer», Brockhaus, Leipzig 1938; «Die grossen Flugabenteuer», Orell Füssli, Zürich 1977; «Schweiz/Suisse 1917-1937. Flugaufnahmen von Walter Mittelholzer», Orell Füssli, Zürich 1988; «Deutschlandflug», Berlin Verlag, Berlin 1998, «Im Sog des Bodensees», Edition Isele, Eggingen 2009; «Walter Mittelholzer Revisited. Aus dem Fotoarchiv von Walter Mittelholzer», Schwieger & Spiess, Zürich 2017.
Sammelpublikationen
«Der Kampf ums Matterhorn», Engelshorns, Stuttgart 1929; «Luftfahrer voran!», Franck'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 1936; «Navigationskurs für Fluglehrer», o. V., Dübendorf 1937; «Flieger erobern die Berge», Nymphenburger, München 1956; «Aus der Pionierzeit des Zivilluftfahrt», Buchdruckerei, Wattwil 1972; «Photographie in der Schweiz von 1840 bis heute», Niggli, Teufen 1974; Hans Amann, «Ostschweizer Erfinder und Pioniere», Zollikofer, St. Gallen 1988; «St. Galler Flugpioniere», Raiffeisenbank, St. Gallen 1990; Walter Borner, «Von Mittelholzer zu Baltensweiler», Swissair, Zürich 1992; «Photographie in der Schweiz von 1840 bis heute», Benteli, Bern 1992; «Luftbild Kanton Zürich», AS Verlag, Zürich 1996; Sylvia Bärtschi-Baumann, «Chronisten des Aufbruchs. Zur Bildkultur der St. Galler und Appenzeller Fotografen 1839-1950», Offizin, Zürich 1996; «Der Kanton Zug und seine Fotografen 1850-2000», Zürcher Druck und Verlag, Rotkreuz 2001; «Bilderstreit. Durchbruch der Moderne um 1930» (Kat.), Limmat, Zürich 2007; «Aufbruch in die Gegenwart. Die Schweiz in Fotografien 1840-1960», Limmat Verlag, Zürich 2009; Paul Hugger (Hg.), «Welten aus Fels und Eis. Alpine Fotografie in der Schweiz, Geschichte und Gegenwart», NZZ Libro, Zürich 2009; Hugo Ruoss, «100 Jahre Luftfahrt in der Schweiz», Eigenverlag, Kloten 2010.
Gruppenausstellungen
Schweizerische Stiftung für die Photographie im Kunsthaus, Zürich 1974 («Photographie in der Schweiz von 1840 bis heute», Wanderausstellung); Musée de l’Elysée, Lausanne 1986 («Les années difficiles, 1919-1939»); Historisches Museum, St. Gallen 1988 («Ostschweizer Erfinder und Pioniere»); Kunsthaus, Zürich 2006/07 («In den Alpen»); Fotostiftung Schweiz, Winterthur 2007/08 («Bilderstreit. Durchbruch der Moderne um 1930»); Landesmuseum, Zürich 2009 («Aufbruch in die Gegenwart. Die Schweiz in Fotografien 1840-1960»); Kunstmuseum, Solothurn 2025 («Jurabilder»).