Sa carrière professionnelle débute la même année à l'observatoire de Hambourg, situé à Bergedorf, où il travaille de 1919 à 1931. C'est durant cette période qu'il fait ses premières grandes découvertes, notamment celle de l' astéroide (944) Hidalgo en 1920, le premier d'une classe d'objets aujourd'hui appelés centaures. En 1926, il effectue un voyage déterminant en Amérique du Nord, soutenu par la Fondation Rockefeller, qui le mène à l'observatoire du Mont Wilson, dont il pressent l'immense potentiel scientifique. Séduit par les cieux clairs de Californie et les instruments puissants disponibles, il quitte définitivement l'Allemagne en 1931 pour rejoindre l'observatoire du Mont Wilson en tant que membre du personnel. Il travaillera ensuite au nouvel observatoire du Mont Palomar à partir de 1948, avant de prendre sa retraite en 1958.

La Seconde Guerre mondiale est une période paradoxale mais particulièrement féconde pour Baade. Alors que la plupart de ses collègues sont mobilés pour l'effort de guerre, lui, en tant que ressortissant allemand, est considéré comme un "ennemi" et n'est pas autorisé à participer à ces travaux. Assigné à résidence dans le comté de Los Angeles, il se retrouve avec un accès quasi-exclusif et illimité au télescope Hooker de 2,5 mètres de l'observatoire du Mont Wilson, le plus puissant du monde à l'époque. Cette situation exceptionnelle est renforcée par une aubaine inattendue : l'application stricte du black-out sur la ville de Los Angeles, destiné à la protéger d'éventuels bombardements, plonge la région dans une obscurité profonde et réduit considérablement la pollution lumineuse. C'est dans ces conditions optimales que Baade parvient à réaliser ce qui était alors impossible : résoudre des étoiles individuelles dans la région centrale dense de la galaxie d'Andromède, une avancée majeure pour l'astronomie.

À partir de ces observations, il développe un concept fondamental : celui des deux populations stellaires. Il propose l'existence d'une Population I, composée d'étoiles jeunes, chaudes et bleues, que l'on trouve principalement dans les bras spiraux des galaxies. À l'inverse, la Population II est constituée d'étoiles plus âgées, rouges, situées dans le bulbe central et le halo des galaxies, y compris dans les amas globulaires. Cette découverte ouvre la voie à la compréhension de l'évolution stellaire et de la formation des galaxies. En exploitant cette distinction, il fait une autre révélation capitale : il existe deux types d'étoiles variables céphéides, dont la relation période-luminosité, outil essentiel pour mesurer les distances cosmiques, n'est pas la même pour les deux populations. En utilisant la relation correcte pour les céphéides de la Population I d'Andromède, il démontre en 1952 que la distance de cette galaxie était deux fois plus grande que l'estimation faite par son collègue Edwin Hubble. Cette correction a pour effet de doubler l'échelle de l'univers connu, et par conséquent de porter son âge estimé de 1,8 milliard à plus de 5 milliards d'années, résolvant ainsi le paradoxe où l'univers semblait plus jeune que la Terre.

Bien avant ces découvertes, Baade avait déjà marqué l'histoire de l'astrophysique. En collaboration avec Fritz Zwicky, il est à l'origine du concept de supernova. Dès 1934, ils proposent ce nom pour désigner une nouvelle catégorie d'explosions stellaires d'une énergie inouïe, suggérant qu'elles pourraient expliquer la création des rayons cosmiques. Leur génie théorique va encore plus loin : ils postulent que l'effondrement du coeur d'une étoile lors d'une explosion de supernova peut conduire à la formation d'une étoile à neutrons, un objet d'une densité alors jugée presque inconcevable.

Après la guerre, muni du nouveau télescope Hale de 5 mètres à l'observatoire du Mont Palomar, Baade poursuit ses travaux à un rythme soutenu. Avec son collègue Rudolph Minkowski, il identifie les contreparties optiques de plusieurs sources radio majeures, comme Cygnus A  (Cygne),. Il poursuit également sa chasse aux astéroïdes, découvrant en 1949 (1566) Icare, dont l'orbite le rapproche plus du Soleil que Mercure, et (1036) Ganymède. Il est aussi le premier à identifier le pulsar du Crabe, l'étoile à neutrons au coeur de la nébuleuse du Crabe, comme l'objet central de ce rémanent de supernova. En 1956, ses observations de la galaxie M87 (Vierge) révèlent un jet de matière polarisé, une découverte importante qui permet d'identifier le mécanisme physique à l'oeuvre comme le rayonnement synchrotron.

Walter Baade est décédé le 25 juin 1960 à Göttingen, en Allemagne de l'Ouest, où il s'était retiré après sa retraite. Sa vie et son oeuvre ont été récompensées par les plus hautes distinctions, dont la médaille d'or de la Royal Astronomical Society en 1954 et la médaille Bruce en 1955.