Бальтюс родился 29 февраля 1908 в Париже. Его отец – Эрих Клосовский, историк искусства и художник немецко-польского происхождения; мать – Элизабет Доротея (урожденная Спиро) – известная художница, работавшая под псевдонимом Баладина. Юность Бальтюс провел в Париже, Женеве и Берлине. Будучи самоучкой, он изучал и копировал картины старых мастеров в Лувре, а затем продолжил образование в Италии, копируя фрески Пьеро делла Франческа в Ареццо. В ранних работах художника чувствуется его увлечение живописью Курбе, швейцарского художника 18 в. Райнхардта и мастеров итальянского Ренессанса с одной стороны, а с другой – сюрреалистическими эффектами, от которых он, впрочем, вскоре отказался.

Первая значительная выставка работ Бальтюса состоялась в 1934 в Париже, в галерее Пьер. Он много работал для театра, оказавшего, в свою очередь, сильное влияние на его живопись. С 1961 по 1977 Бальтюс занимал пост директора Французской академии на вилле Медичи в Риме. Его первая музейная выставка состоялась в 1956 в Нью-Йорке, в Музее современного искусства, которому принадлежит несколько самых значительных работ художника. В 1983–1984 центр им. Жоржа Помпиду совместно с музеем Метрополитен организовал большую ретроспективную выставку его работ в Париже и Нью-Йорке. Такие же выставки прошли в Лозанне в 1993 и в Берне в 1994.

Умер Бальтюс в Ла-Россиньере близ Гштаада (Швейцария) 18 февраля 2001.