Er begann seine Studien in Karlsruhe, war einige Semester in München, machte 1907 das Diplom in Karlsruhe. 1909, nachdem er Stadtbaumeister von Colmar gewesen war, kam er zu Riemerschmid nach München. Schon früh zeigt sich sein besonderer Sinn für saubere Konstruktion und werkgerechtes Bauen. Er wird später der Begründer der Werkgerechtigkeit, die die "Stuttgarter Schule" auszeichnet.

Während des 1. Weltkrieges gestaltet er die Gartenstadt Staaken, die den Siedlungsbau maßgeblich beeinflußt. 1918 holt ihn Bonatz an die Technische Hochschule Stuttgart, wo eine ideale Zusammenarbeit im Kreis bedeutender Kollegen zum Wohle der jungen Architekten ihren Anfang nimmt. Er bezaubert seine Schüler, mit Begeisterung erfüllen sie seine harten Forderungen. Vielen wird er prägendes Vorbild. Bekannte Bauten Schmitthenners in Stuttgart: Das Haus des Deutschtums (1924/25), die Schule in Zuffenhausen (1930), erster Aufbau des Alten Schlosses nach dem Brand (ab 1932), nach der Zerstörung im 2. Weltkrieg Wiederaufbau ab 1958, Dresdner Bank (1950-53).

Unerreicht ist die Noblesse und die Ausgewogenheit seiner Wohnbauten. Als Beispiele seien genannt: das schöne "Gespann" in Badenweiler: die Häuser für die Freunde Annette Kolb und René Schickere (1922) und das Haus Kienzle in Baden-Baden (1965).

Schmitthenner war u. a. Ehrenmitglied der Akademie der bildenden Künste in München.