Valeria Golino nasce a Napoli e giovanissima inizia a lavorare come modella. È la regista Lina Wertmüller che ne scopre l'innato talento e la avvicina al mondo del cinema facendola recitare nel 1983 in "Scherzo del destino in agguato dietro l'angolo come un brigante da strada" e l'anno seguente in "Sotto... sotto... strapazzato da anomala passione".
Ottiene il suo primo ruolo di attrice protagonista nel 1985 con il film "Piccoli fuochi" del regista Peter Del Monte; mentre l'anno successivo vince la Coppa Volpi alla Mostra del Cinema di Venezia con "Storia d'amore" di Francesco Maselli.
La sua esperienza di attrice si arricchisce anche negli USA, dove ha lavorato a una ventina di film, tra cui i celebri "Rain Man - L'uomo della pioggia" e "Lupo solitario".
Nel 2002 vince il Nastro d'Argento come migliore attrice protagonista per "Respiro" di Emanuele Crialese e nel 2006 il David di Donatello come migliore attrice protagonista per "La guerra di Mario" di Antonio Capuano.
Nel 2013 debutta come regista con il film "Miele", interpretato da Jasmine Trinca. Il film, in concorso al Festival di Cannes nella sezione Un certain regard, le vale una menzione speciale della Giuria Ecumenica. Inoltre le permette di vincere il Nastro d'argento per il miglior regista esordiente e il Globo d'oro alla miglior opera prima. Nel 2014 riceve il David di Donatello come miglior attrice non protagonista per il film "Il capitale umano" di Paolo Virzì. Sempre nel 2014 è una delle protagoniste nel film corale "Il nome del figlio" di Francesca Archibugi. Nel 2015 vince la Coppa Volpi alla Mostra del cinema di Venezia per la Migliore interpretazione femminile con il film "Per amor vostro" di Giuseppe Gaudino. E' protagonista nel 2016 in "La vita possibile" di Ivano De Matteo. Nel 2017 è protagonista ne "Il colore nascosto delle cose" di Silvio Soldini, in concorso a Venezia, in "Controfigura" di Rä di Martino, con Filippo Timi e ne "Il Ragazzo Invisibile Seconda Generazione" di Gabriele Salvatores. Nello stesso anno ha terminato le riprese del suo secondo film da regista, "Euphoria", con Riccardo Scamarcio e Valerio Mastandrea. Nel 2018 è in concorso a Berlino con il film "Figlia mia" di Laura Bispuri.