Joseph Wertheimers Eltern waren Jacob Wertheimer, der die Gemeinde in Soultz betreute, und Judith geborene Gugenheim. Er besuchte von 1852 bis 1857 die zentrale Rabbinerschule in Metz[1] und studierte Geisteswissenschaften und Theologie an der Universität Strassburg. Im Jahr 1857 absolvierte Wertheimer sein Doktorat und heiratete im folgenden Jahr Elise Schvob (1837–1925, auch Schwob) aus Gray.[2]
Wertheimer wurde 1859 zum ersten Grossrabbiner von Genf bestimmt, ein Amt, das er bis zu seinem Tod ausübte. Das betreute Gebiet erstreckte sich über Lausanne und Avenches bis nach Biel.[2] Er weihte 1859, 1865 und 1883 die Synagogen von Genf, Avenches und Biel ein. Als Rabbiner der Gemeinde Lausanne regte Wertheimer den Bau einer Synagoge an. Nach dem Eingang einer grossen Spende konnte im Dezember 1909 der Grundstein gelegt werden.[3] In Montoie erhielt er 1868 ein Stück Land für die Anlage eines jüdischen Friedhofs der Gemeinde.[2]