Enrôlé dans l'armée de l'air en 1942, Walter Matthau étudie l'art dramatique à New York à la fin de la Seconde Guerre Mondiale. Trois ans plus tard, il fait ses débuts à Broadway en 1948.
Matthau ne commence qu'à aborder le cinéma qu'en 1955 avec L'Homme du Kentucky de Burt Lancaster. Il tourne avec Richard Quine ( Les Liaisons secrètes) , Elia Kazan (Un homme dans la foule) puis, en 1966, c'est la rencontre au sommet avec Billy Wilder et Jack Lemmon : dans La Grande Combine, son interprétation de l'avocat Willie Gingrich lui vaut l'Oscar du meilleur second rôle. Il retrouvera Lemmon plusieurs fois par la suite ( Les Grincheux 1 et 2), faisant avec l'acteur fétiche un Drôle de couple (titre phare et symbolique du film de Gene Saks, de 1968) hilarant. Idem pour le réalisateur Billy Wilder ( Special premiere, Avanti! et Buddy Buddy).
Après quelques films policiers tournés avec Don Siegel ( Tuez Charley Varrick) et Stuart Rosenberg (Le Policier Ricanant), sa carrière s'élargit à l'international : il est le capitaine Red pour Roman Polanski (Pirates, 1986), le Diable pour Roberto Benigni (Le petit diable, 1989) et retrouve le terrain de la comédie américaine avec l'adaptation de Denis la malice (Nick Castle, 1993) ou Diane Keaton (Raccroche, 2000).
Il meurt d'une crise cardiaque en juillet 2000 et laisse derrière lui l'image du bonhomme bougon mais attendrissant.
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