цикл while, кажется, не помнит обновление переменных - конвейер не задействован

Я не понимаю, как это может сработать. Когда вы запустите

eval $term_cmd 

, вы откроете окно терминала, и скрипт больше ничего не будет делать, пока вы его не закроете. Что вам нужно:

$term_cmd &

Запустите его в фоновом режиме (и не используйте eval, он не нужен). Тогда вам также не нужно выбирать последнюю строку вывода wmctrl., Вы устанавливаете заголовок терминала, поэтому установите его на что-то уникальное и grep что:

#!/bin/bash
# This script starts a specified terminal-binary in "Always on Top"-mode
# The assumption is, that 'wmctrl -l' sorts windows with the 
# in such a way, that the more recently a window has been created, 
# the lower it will be on the list ( compared to windows with the 
# same title).
#
# This is my assumption based on a short observation. The window 
# ids are probably given out in ascending hex numbers
# 
# Note: Using the pid will not help, since all terminals seem to
# be having the same pid
term_title_def='Terminal'
term_title="Terminal_top_$$" ## Use the script's PID for a unique title
term_cmd="mate-terminal --title=$term_title"

## Start terminal. No need to wait, the loop will run until
## the terminal has been opened
$term_cmd &

win_id=''

while [[ -z "$win_id" ]]; do
    ## No need for '[[:blank:]]' and \$, you are using a unique title,
    ## keep the regex general. 
    win_id=$(wmctrl -l | grep "$term_title" | awk '{ print $1 }')
done
# DEBUG
touch /tmp/$win_id

# rename, set as "Always on top"
wmctrl -ir $win_id -T "$term_title_def"
wmctrl -ir $win_id -b add,above
wmctrl -ia $win_id