Originaire d'une riche famille de Turin qui quitte l'Italie par crainte des Brigades Rouges, Valeria Bruni-Tedeschi arrive en France à l'âge de 9 ans. Après une année d'hypokhâgne, elle suit des cours de théâtre à l'École des Amandiers de Nanterre, avec pour professeurs Pierre Romans et Patrice Chéreau, qui lui font jouer Kleist et Tchekhov. Si elle apparaît à l'écran en 1986 dans Paulette, la pauvre petite milliardaire, c'est Chéreau qui lui offre son premier vrai rôle dans Hotel de France, film de troupe, tourné avec les élèves des Amandiers. Elle retrouvera son mentor en 1993 pour La Reine Margot et surtout pour le fiévreux Ceux qui m'aiment prendront le train, en 1997.
L'actrice accède à la notoriété en 1993 grâce aux Gens normaux n'ont rien d'exceptionnel, premier film de Laurence Ferreira Barbosa, dans lequel elle incarne une jeune fille au bord de la folie: sa composition à fleur de peau lui vaut le César du meilleur espoir féminin. Devenue l'actrice-fétiche des auteurs de la jeune génération, elle noue une forte complicité avec Noémie Lvovsky dès son court-métrage Dis-moi oui, dis-moi non, auquel succède son premier long, Oublie-moi, nouveau portrait de femme instable et vulnérable. La comédienne au regard clair et a la voix cassée interprète en 1999 une chômeuse qui passe ses journées au supermarché dans Rien à faire de Marion Vernoux.
Des cinéastes confirmés permettront à Bruni-Tedeschi, habituée aux personnages fragiles et tourmentés, de dévoiler d'autres facettes de son talent. Sensuelle boulangère dans Nénette et Boni, elle incarne un policier opiniâtre dans Au cœur du mensonge de Chabrol. Ne dédaignant pas un cinéma plus commercial (Ah ! si j'étais riche), elle trouve de beaux rôles dans son pays natal, auprès de Bellocchio (La Nourrice) et Calopresti (La Seconda volta).
Plus épanouie que jamais à l'approche de la quarantaine, elle illumine 5 x 2 (2004), radiographie du couple signée Ozon et déploie une fantaisie débridée dans Crustacés et coquillages (2005).
C'est en co-signant les dialogues de Mots d'amour (1998) que Valeria Bruni-Tedeschi prend goût à l'écriture. Son coup d'essai comme réalisatrice, l'autoportrait ironique Il est plus facile pour un chameau..., décroche le Prix Delluc du premier film en 2003. Dans son deuxième opus, Actrices, présenté en Sélection officielle à Cannes en 2007, elle continue d'exposer avec humour ses doutes et ses angoisses. Ce mélange de légèreté et de gravité, on le retrouve la même année dans Faut que ça danse ! de son amie Noémie Lvovsky, dans lequel elle incarne la fille de Jean-Pierre Marielle.
En 2008, Valeria Bruni Tedeschi partage, avec Miou-Miou et Lambert Wilson, l'affiche de l'adaptation du roman d'Agatha Christie signée Agathe Bonitzer : Le Grand alibi. Elle revient au genre dramatique dans Les Regrets de Cédric Kahn où elle retrouve son amour de jeunesse en la personne d'Yvan Attal, avant d'incarner une enseignante face à l'expulsion d'enfants sans papiers, sujet politique qui lui tient à coeur, dans Les Mains en l'air (2009) de Romain Goupil.
La même année, l’actrice revient à ses origines italiennes en tournant sous la direction de Gabriele Muccino, de retour de son escapade américaine, dans Encore un baiser.
Six ans après Actrices, Valeria Bruni Tedeschi reprend son costume de réalisatrice pour Un château en Italie, comédie dramatique mettant en scène les tribulations d’une famille italienne, et comptant dans sa distribution Louis Garrel et Xavier Beauvois. Le film est présenté en compétition officielle à Cannes, à la surprise générale. En 2014, elle est à l’affiche de Les Opportunistes, mais aussi du Saint Laurent de Bonello, où elle tient le rôle de Mme Duzer.
