Astrup ble utdannet ved Kristiania Tekniske Skole i årene 1891–1892, Den kongelige Tegneskole i 1892–1893 og ved Königlich Technische Hochschule i Berlin i 1896–1897.

De første arbeidene hans bærer preg av de nasjonalromantiske strømningene rundt århundreskiftet og påvirkning fra Henrik Bull. I 1920- og 1930-årene ble han påvirket av de nyklassisistiske og funksjonalistiske ideene som rådet i denne perioden.

Astrup ble tidlig knyttet til industrien, og fikk en rekke oppdrag med utforming av kraft- og transformatorstasjoner, fabrikk- og dambygninger. Disse var monumentale i samsvar med tidsånden, men han tegnet også andre typer byggverk. Et nyskapende hovedverk var Soria Moria kino i Oslo (1928). Ellers kan kraftstasjonen Tysso I i Tyssedal (1906–1908) nevnes, som han tegnet i samarbeid med Victor Nordan, og Såheim kraftstasjon på Rjukan (1912–1916), tegnet sammen med Olaf Brochmann Nordhagen. Såheim kraftstasjon og kjelhus er bygget med kraftfull monumental symmetrisk utforming og fasader av hugget stein, et godt eksempel på kraftverkarkitektur. Tysso I ble fredet i mai 2000. I dag rommer bygget Kraftmuseet. Astrup tegnet også representasjonsbolig for Norsk Hydro på Rjukan (1908) i art nouveau-stil, bygget i tre.

• Thorvald Astrup i Norsk kunstnerleksikon
• Thorvald Astrup i Norsk biografisk leksikon
• Henning Thorvaldssøn Astrup