Το 1963 πρωτοεμφανίστηκε στα ελληνικά γράμματα αφού δημοσίευσε στο περιοδικό Εποχές το αφήγημα «Η κάθοδος των εννιά», έργο που κυκλοφόρησε και σε γερμανική μετάφραση το 1976. Το 1978 εκδόθηκε αυτοτελώς σε βιβλίο από τις εκδόσεις Κέδρος.

Ασχολήθηκε επίσης με τη θεατρική γραφή και μετάφραση – συνεργάτης του Θεάτρου Τέχνης του Καρόλου Κουν -, καθώς και με το κινηματογραφικό σενάριο. Οι μεταφράσεις της τραγωδίας του Ευριπίδη Τρωαδίτισσες αλλά και της Ορέστειας του Αισχύλου παρουσιάστηκαν από το Θέατρο Τέχνης «Κάρολος Κουν» στα Επιδαύρια (1979-1980), σε σκηνοθεσία Κάρολου Κουν.

Έχει γράψει τα σενάρια των ταινιών «’Ενώ σφύριζε το τραίνο», «Δούρειος ίππος» και σε συνεργασία και με άλλους έγραψε και τα σενάρια των ταινιών ‘«Μέρες του ’36» , «Ταξίδι στα Κύθηρα», «Το μετέωρο βήμα του πελαργού» κ.α.

Από το 1974 ως το 1975 έζησε στο Δυτικό Βερολίνο και το 1976 στις Η.Π.Α., προσκεκλημένος αντίστοιχα από τη Deutscher Akademischer Austauschdiens (Γερμανική Υπηρεσία Ακαδημαϊκής Ανταλλαγής) και το International Writing Program (Διεθνές πρόγραμμα Συγγραφής).

Διετέλεσε γενικός διευθυντής της Ε.Ρ.Τ. (1989-1990) και πρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος του Ελληνικού Κέντρου Κινηματογράφου 2005 – 2006 με αντιπρόεδρο τον Βασίλη Μαζωμένο. Είναι τακτικό μέλος της Ακαδημίας Αθηνών, της Ευρωπαϊκής Ακαδημίας Επιστημών και Τεχνών (Akademia Scientiarum et Artium Europaea), του Διεθνούς Ινστιτούτου Θεάτρου, της Εταιρείας Ελλήνων Θεατρικών Συγγραφέων και της Εταιρείας Συγγραφέων, της οποίας υπήρξε πρόεδρος επί πέντε θητείες.

Ο Θανάσης Βαλτινός διετέλεσε Πρόεδρος της Ακαδημίας των Αθηνών. Έχει τιμηθεί με το βραβείο σεναρίου στο Φεστιβάλ Καννών για την ταινία Ταξίδι στα Κύθηρα (1984) και με το κρατικό βραβείο μυθιστορήματος για το βιβλίο του Στοιχεία για τη δεκαετία του ΄60 (1990), με το διεθνές βραβείο Καβάφη (2001) και το βραβείο της Ακαδημίας Αθηνών «Πέτρος Χάρης» (2002).[εκκρεμεί παραπομπή] Το 2002 του απονεμήθηκε ο χρυσός σταυρός του Τάγματος της Τιμής της Ελληνικής Δημοκρατίας.

Ο Θανάσης Βαλτινός έχει τιμηθεί επίσης και με το Βραβείο Σεναρίου στο φεστιβάλ των Καννών για την ταινία του »Ταξίδι στα Κύθηρα» του Θεόδωρου Αγγελόπουλου κ.α. Το 1994 με την πρώτη κυκλοφορία του βιβλίου του «Ορθοκωστά», μυθιστόρημα με θέμα τον Εμφύλιο Πόλεμο, προκλήθηκαν έντονες συζητήσεις σχετικά με την μεταπολεμική ιστορία της Ελλάδας. Το 2012 του απονεμήθηκε το Μεγάλο Βραβείο Γραμμάτων και της Λογοτεχνίας από τη Διεύθυνση Γραμμάτων της Γενικής Διεύθυνσης Σύγχρονου Πολιτισμού του Υπουργείου Παιδείας και Θρησκευμάτων, Πολιτισμού και Αθλητισμού, για το σύνολο του έργου του. Πολλά από τα έργα του έχουνε μεταφραστεί σε πολλές ευρωπαϊκές γλώσσες μεταξύ των οποίων τα Αγγλικά, τα Ιταλικά, τα Γαλλικά, τα Γερμανικά, τα Ρώσικά κ.α.