Nata in una famiglia aristocratica, venuta a Roma studia al Centro Sperimentale di Cinematografia.Il suo fascino raffinato e sensuale viene valorizzato già nelle sue prime interpretazioni: I due sergenti ('36) di Guazzoni, nel grande successo di Mille lire al mese ('39) di Neufeld, fino alla definitiva maturazione in Piccolo mondo antico ('41) di Mario Soldati. Grazie alla sua performance nel personaggio di Luisa, la madre straziata del romanzo di Fogazzaro, la Valli assurge allo status di diva. Conferma la sua bravura nel dittico di Alessandrini Noi vivi-Addio Kira ('42), dove spicca con forza rispetto alla zavorrata impostazione teatrale di altre dive dell'epoca. Ma a farne una nuova Greta Garbo sono innanzitutto la sua bellezza angelicata, l'aura nobile del portamento, le profonde passioni sprigionate che si alternano alle mosse infantili e alla naturale fotogenia rivelata nei primi piani.

Nel dopoguerra viene chiamata ad Hollywood dove interpreta in modo impeccabile la femme fatale accanto a Gregory Peck nel film di Hitchcock Il caso Paradine ('47); lavora fianco di Orson Welles e Joseph Cotten nel film di spionaggio diretto da Carol Reed Il terzo uomo ('49) aprendo così la strada ad altre dive nostrane, come la Loren e la Magnani.

Tornata in Italia contribuisce con la sua perfetta immedesimazione nella contessa Serpieri al capolavoro di Visconti Senso ('54). Dimostra la sua grande versatilità cambiando completamente registro nel film di Antonioni Il grido ('57). La sua carriera prosegue sempre su alti livelli anche in teatro e in televisione. Lavora per Pasolini in Edipo Re ('67), con Bernardo Bertolucci in Novecento ('76) e con Dario Argento nel dittico Suspiria ('77), Inferno ('80). Negli anni '80 e '90 dirada notevolmente le sue apparizioni lavorando però in produzioni di qualità, come L'amore probabilmente (2001) di Giuseppe Bertolucci.