Balthazar Lange startet sin karriere med å tegne en rekke jernbanestasjoner og var senere stadsarkitekt i Kristiania i mer enn 20 år, men huskes i dag særlig som mannen bak et av hovedverkene i norsk dragestilsarkitektur, Holmenkollen sanatorium (nå Holmenkollen Park Hotel Rica) i Oslo.
Langes utdanningsvei som arkitekt var den normale i hans samtid, nemlig en kombinasjon av skolegang og assistentarbeid hjemme, etterfulgt av høyere utdannelse i utlandet. Hannover var det vanligste studiested for datidens norske ingeniører og arkitekter, og dit reiste også Lange etter læretiden hos arkitektene Nestor Thomassen i Arendal og J. V. Nordan i Christiania. Det uvanlige med Langes karriere var at han som relativt nyutdannet 1878 fikk ansettelse ved Statsbanenes anleggskontor som ansvarlig arkitekt i en periode med sterk utbygging. Dermed fikk han tidlig i sitt virke en relativt stor selvstendig produksjon. Han tegnet en rekke jernbanestasjoner på Øst- og Vestfoldbanene, noen som individuelt utformede bygninger, andre i form av typetegninger delvis basert på tilsvarende av arkitekt Peter Blix.
Langes stasjonsarkitektur illustrerer særlig godt spennvidden i de Hannover-utdannede arkitekters formuttrykk. Hans største arbeid for jernbanen er Trondheim stasjon (1881), en toetasjes nyrenessansebygning i pusset tegl med treetasjes midtparti og fremspringende sidefløyer. Fasadeutstyret røper Langes skolering i klassisk arkitektur. Gavlene er f.eks. utformet i analogi med antikkens templer. Larvik stasjon er langt mindre, men har beslektet fasadedekor. Lange kunne også fabulere fritt over middelaldermotiver, som i den gamle jernbanestasjonen i Bergen (revet). Han bygde her opp fasaden på den pussede toetasjes bygningen med to store siderisalitter (fremspring foran fasaden) og en midtrisalitt, kronet av steile gavler utstyrt med henholdsvis trepassvinduer og et mindre sirkelformet vindu i midten. Alle de øvrige vindusavslutninger var buede, og vinduene var lagt i nisjer for å øke fasadens lys- og skyggevirkninger.
Til tross for det kvalitativt høye nivå på Langes jernbanearkitektur var det seieren 1880 i konkurransen om Uranienborg kirke i Kristiania som betydde hans gjennombrudd som arkitekt. Her gav tomtens beliggenhet mulighet til å skape en himmelstrebende nygotisk langkirke med meget nøkterne arkitektoniske virkemidler. Nøktern er også hans Osvangsæter ved Savalen, der han slutter seg til eldre norsk profanarkitekturs formspråk ved å tegne en laftet tofløyet bygning, men med sterkt fremspringende tak. Vesentlig rikere i sitt utstyr er Holmenkollen sanatorium (1894), som representerer en annen retning i arbeidet med å skape en nasjonal norsk stil i trearkitekturen. Til tross for at dragehodene mangler, må bygningen sies å være et sentralt verk i norsk dragestilsarkitektur. Tre selvstendige fløyer er bygd sammen, og bygningskroppene er utformet slik at de øvre etasjer er utkraget. Bygningen krones av en stavkirkeimiterende takrytter. Lange tegnet anlegget etter å ha vunnet en arkitektkonkurranse der de deltakende arkitekter selv foretok juryeringen.
1898 ble Lange stadsarkitekt i Kristiania, en stilling han hadde frem til 1920. I denne perioden var det en rik kommunal byggevirksomhet, ikke minst innen skolesektoren. Lange ledet virksomheten, assistert av dyktige utførende arkitekter. Disse tegnet en lang rekke bygninger som tidligere ofte har vært tilskrevet Lange, men hvor han utvilsomt har inspirert til at de fikk en arkitektonisk høy kvalitet. Enkelte bygg, som Rosenhoff skole og ny bygning for Bjølsen skole, tegnet Lange selv.
Balthazar Langes samlede produksjon viser en arkitekt med et stort formrepertoar og en kontinuerlig evne til å fornye seg. Han var også aktiv i organisasjonslivet, bl.a. som viseformann i Den norske Ingeniør- og Arkitektforening 1892–1906 og formann i Kristiania Arkitektforening 1908–10, og en sentral skikkelse i hovedstadens arkitektmiljø. Lange var ridder av den franske Æreslegionen.