Ab 1974 trat Waltke bei höchstklassigen internationalen Turnieren im Einzel und im Doppel an. Im Januar 1975 erreichte er auf den Bahamas zum ersten Mal das Halbfinale eines ATP-World-Tour-Turniers. 1976 kam er in Boca Raton an der Seite von Victor Amaya zum erstmals in ein Doppelhalbfinale und zwei Wochen später mit Steve Krulevitz in das erste Doppelfinale, als sie in Salisbury gegen Fred McNair und Sherwood Stewart in zwei Sätzen verloren. 1977 und 1981 folgten weitere Finalteilnahmen im Doppel, die er mit verschiedenen Partnern aber jeweils verlor.
Im Juni 1979 gewann er seinen ersten Titel auf der Challenger-Tour, als er im Finale von Montgomery seinen Gegner Vincent Van Patten in drei Sätzen besiegte. Einen Monat später folgte mit einem Sieg über Matt Mitchell sein zweiter und letzter Titel beim Challenger von San Diego. Auf der World-Tour erreichte er 1980 zwei Finalrunden im Einzel, die er aber beide gegen seinen jeweiligen Gegner verlor.
Im Jahr 1983 spielte er in Tokio das letzte Mal bei einem hochklassigen internationalen Turnier und Anfang 1984 in Amarillo zum letzten Mal ein Challengerturnier auf heimischem Boden.
1991 wurde Trey Waltke in die Tennis Hall of Fame von St. Louis aufgenommen.[2]
In den 1990er Jahren gründete Waltke eine Kette mit mehreren Cafés. Außerdem führte er von 2000 bis 2004 einen Tennis Club in Los Angeles. Heute ist er Manager eines Racquetclubs in Malibu.[3]