יליד וינה. למד פסיכולוגיה ופילוסופיה באוניברסיטת וינה וקיבל תואר דוקטור לפילוסופיה.
בשנת 1938, אחרי סיפוחה של אוסטריה אל גרמניה הנאצית, גורש בטלהיים אל מחנות הריכוז דכאו ובוכנוואלד. הוא שוחרר ב- 1939 הודות להתערבותם של אלנור רוזוולט והרברט להמן, וקיבל היתר להגר לארצות הברית. באוניברסיטת שיקגו עבד עבור האגודה לחינוך מתקדם. מ- 1942 עד 1944 היה מרצה עמית לפסיכולוגיה בקולג' רוקפורד באילינוי. אחר נתמנה לראש בית הספר האורתוגני ע"ש סוניה שנקמן, מוסד לילדים עם הפרעות רגשיות קשות.
תקופת כליאתו במחנה ריכוז הניעה אותו לכתוב את ספרו "התנהגות אישית וקבוצתית במצבים קיצוניים", שנתפרסם בכתב העת לפסיכולוגיה אבנורמלית וחברתית. באוקטובר 1943. במהרה נהפך המאמר, שעוסק בתגובות חבריו לגורל במחנה הריכוז, לקריאת חובה ברשויות הממשל והצבא שהוצבו באירופה.
בשנים 1944 – 1947 היה בטלהיים מרצה לפסיכולוגיה חינוכית באוניברסיטת שיקגו; מ- 1947 פרופסור עמית; ומ- 1952 מרצה קבוע. נחשב לסמכות עולמית בטיפול בילדים בעלי הפרעות רגשיות, וחיבר מאמרים וספרים רבים בנושא זה.
בשנת 1950 פרסם יחד עם מוריס ינוביץ את "דינמיקה של דעה קדומה". עוד מספריו: "לא די באהבה" (1950); "להתחמק מהחיים" (1955), "הלב היודע" (1960) – שבו הרחיב השגותיו הפסיכולוגיות על התנהגות עצירי המחנות. הוא נקט עמדה שיפוטית כלפי הציבור היהודי שלא התקומם נגד הטרור הנאצי; "המבצר הריק" (1967) ו"ילדי החלום" (1969) – מחקר על גידול ילדים בקיבוץ.
בשנת 1963 הצטיין בשירותו כמומחה לחינוך ולפסיכולוגיה ופסיכיאטריה. היה חבר במרכז ללימוד מתקדם במדעי ההתנהגות (1971 – 1972); באיגוד הפסיכולוגים האמריקאים; באיגוד האורתופסיכיאטרי האמריקאי; באגודה הפסיאטרית שיקגו; באגודת הפילוסופים האמריקאית; במועצת שיקגו לפסיכולוגיה של הילד.
פרסים ותארים: תואר כבוד בעברית מאוניברסיטת קורנל; פרס מבקרי הספרות ב- 1976, על "קסמן של אגדות".