Thorvald Astrup var blant de dyktigste og mest benyttede arkitekter i de første tiår av 1900-tallet, og ble særlig kjent for sine kraftstasjoner og fabrikkbygg.
Han tok middelskoleeksamen i Kristiania 1891 og gikk deretter på Kristiania tekniske skole. 1892–93 fulgte han undervisningen i bygningsfag på Kunst- og håndverksskolen samtidig som han i feriene var assistent hos arkitekt Henrik Nissen. Frem til han 1896 begynte på Königliche Technische Hochschule i Berlin, arbeidet han hos samme arkitekt. Sommeren 1897 var han assistent hos Henrik Bull.
Etter avsluttet utdannelse i Berlin 1898 var Astrup førsteassistent hos Henrik Nissen. 1900 fikk han Statens reisestipend for kunstnere for å studere arkitektur i Frankrike og Storbritannia, hvor han arbeidet ved arkitektkontor i London. 1901 åpnet han arkitektpraksis i Kristiania, fra 1934 sammen med sønnen arkitekt Henning Thorvaldssøn Astrup (1904–83) under firmanavnet Thorvald og Henning Astrup.
Den første store oppgaven han fikk var kraftstasjonen i Tyssedal i Odda, Tysso I (1906, fredet som teknisk og industrielt kulturminne 1999). 1909 fikk han sitt første store oppdrag for Norsk Hydro, en kraftstasjon ved Tinnelva, Svelgfoss II (Reservestasjonen, nedlagt), og ble Hydros mest benyttede arkitekt frem til 1950-årene. Svelgfoss II er for sin tid en særpreget industribygning uten bygningselementer eller dekorative detaljer inspirert av tidligere tiders byggekunst. Såheim kraftstasjon, Rjukan II (“Rjukan-operaen”), som Astrup tegnet sammen med arkitekt Olaf Nordhagen 1912, er et av de mest praktfulle og monumentale industrianlegg i Norge, med tårn, søyler, buer og bygningsdetaljer inspirert av historiske stilarter. Blant Astrups mange kraftstasjoner kan også fremheves Rånåsfoss (1920), hvor nyklassisismen begynner å gjøre seg gjeldende, videre hydrogenfabrikken på Notodden (1926), der nyklassisimen er gjennomført, samt ammoniakkforbrenningsanlegget på Herøya (1928), hvor klassisismen er blitt forenklet og detaljene stilisert.
1928 tegnet han også hygrogenfabrikken på Vemork i glass og betong, et gjennomført funksjonalistisk fabrikkanlegg (ødelagt ved tungtvannssabotasjen 1943, sprengt vekk 1974). De øvrige fabrikkanleggene hans fra 1930- og 1940-årene er alle funksjonalistiske, som f.eks. sodafabrikken på Herøya fra 1933. På flere av disse industristedene planla han også boligområder og bolighus for de ansatte, som administrasjonsbygningen (“Admini”) på Rjukan fra 1908, vertikaltdelte eneboliger samt skole på Rånåsfoss fra 1920. I boligområdene og bygningene la han stor vekt på den naturlige innpassing i miljøet. Blant hans mange nyklassisistiske bygninger fra 1920-årene må fremheves kinoen Soria Moria (nå kulturhus) i Oslo (1928).
Astrups utvikling som arkitekt kan karakteriseres ved at bygningene frem til ca. 1920 var regionalt inspirerte og stedstilpassede, i 1920-årene gjorde nyklassisisme seg gjeldende og funksjonalisme i 1930-årene. Formspråket ble alltid tilpasset bygningenes funksjon med enkle, klart definerte bygningsvolumer og balanserte, dekorative elementer satt inn i og på rene flater og med en tydelig markering av inngangspartiet.