Фамилия Валтхайм — редкий случай в русском ономастиконе, и её происхождение почти наверняка не связано со славянскими корнями. Она звучит как немецкая или скандинавская топонимическая фамилия, образованная от названия места. Разберём её по частям: основа «Валт» (Walt) и «хайм» (heim). В немецком и шведском языках «хайм» означает «дом», «жильё», «поместье», а в составе фамилий часто указывает на конкретное поселение. Первая часть, «Валт», может восходить к древневерхненемецкому «waltan» — «властвовать», «править», или к «Wald» — «лес». Таким образом, Валтхайм — это либо «дом правителя», либо «лесной дом». Второй вариант правдоподобнее: в Германии и Австрии есть несколько реальных населённых пунктов с названием Вальтхайм (Waltham, Waldheim), и фамилия могла возникнуть как указание на выходца оттуда.

Поскольку фамилия не имеет характерных русских суффиксов (-ов, -ин, -ский), её носители в России — почти наверняка потомки немецких или шведских переселенцев, которые сохранили исходное написание. В XVIII–XIX веках в Российской империи оседали немцы-колонисты, прибалтийские немцы или шведы, и фамилии вроде Валтхайм не переделывали на русский лад. Найти такую фамилию в дореволюционных метрических книгах можно в Поволжье, Причерноморье или в Петербургской губернии — там, где были компактные немецкие общины.

Словообразовательная модель проста: топоним + суффикс нулевой. Фамилия не склоняется в русском языке по правилам для иноязычных названий (обычно её оставляют без изменения в косвенных падежах). У неё нет аналогов в славянской среде, и однокоренные русские фамилии (например, Валтов или Вальдман) образованы от других основ.

Если искать версию, связывающую фамилию с еврейским происхождением, то это маловероятно: у ашкеназских евреев фамилии на «-хайм» встречаются (например, Гринхайм), но Валтхайм не фиксируется в типичных еврейских ономастиконах. Основная гипотеза — немецкая, с привязкой к конкретному географическому объекту. В современной России фамилия крайне редка, и её носители, скорее всего, знают о своих немецких корнях.