Der Sohn des Kantors Moritz Wallerstein (1847–1906) und seiner Frau Bertha, geb. Reininger, studierte an den Universitäten von Prag und München Medizin, Kunst und Musik und wurde 1906 zum Dr. med. promoviert. Von 1908 bis 1910 besuchte er das Konservatorium in Genf und arbeitete danach als Korrepetitor und Regisseur am königlichen Hoftheater Dresden. Anschließend war er bis 1914 Kapellmeister und Regisseur in Posen. Nach dem Ersten Weltkrieg war Wallerstein Oberspielleiter am Breslauer Opernhaus und später am Theater Duisburg (1922). Zusammen mit Clemens Krauss, dem von 1924 bis 1929 die künstlerische Leitung der Frankfurter Oper oblag, schuf er ein neues, inszenierungsorientiertes Musiktheater. Daneben leitete er die Opernklasse am Hoch’schen Konservatorium.
Nach dem Anschluss Österreichs an Nazi-Deutschland musste Wallerstein aufgrund seiner jüdischen Abstammung ins Exil gehen. Er gründete in Den Haag eine Opernschule, musste aber 1940 weiter in USA flüchten, wo er dann 1941 bis 1946 als Oberspielleiter an der Metropolitan Opera New York arbeitete. Nach dem Krieg kehrte er für einige Inszenierungen nach Österreich zurück. Er verstarb während eines Regiegastspiels in New Orleans.
Götz Klaus Kende: Zur Erinnerung an Lothar Wallerstein (1882–1949) In: Richard Strauss-Blätter. 8 (1982), S. 6–10.
Walter Pass, Gerhard Scheit, Wilhelm Svoboda: Orpheus im Exil. Die Vertreibung der österreichischen Musik 1938–1945. Verlag für Gesellschaftskritik, Wien 1995, ISBN 3-85115-200-X.
Stefan Jaeger (Hrsg.): Das Atlantisbuch der Dirigenten. Eine Enzyklopädie. Atlantis, Zürich 1986, S. 375, ISBN 3-254-00106-0.
Wallerstein, Lothar, in: Werner Röder; Herbert A. Strauss (Hrsg.): International Biographical Dictionary of Central European Emigrés 1933–1945. Band 2,2. München : Saur, 1983, S. 1204f.
M. Kornberger: Wallerstein, Lothar[1] in: Österreichisches Biographisches Lexikon
Felix Eckerle: Weinbergers „Wallenstein“ – Ein düsteres GesellschaftsgemäldeOnline aus: Programm zur deutschen Erstaufführung am Theater Gera im Oktober 2009.