Après des études d'architecture, Valérie Donzelli apparaît dans des courts métrages et des fictions télévisées (LES TERRES FROIDES, Sébastien Lifshitz, 1999).

Révélation en jeune femme et mère qui perd pied dans le bouleversant MARTHA... MARTHA (Sandrine Veysset, 2001) face à Yann Goven.

Elle enchaîne les seconds rôles remarqués dans LES ÂMES CÂLINES (Thomas Bardinet, 2001), QUI A TUÉ BAMBI ? (Gilles Marchand, 2003), CETTE FEMME-LÀ (Guillaume Nicloux, 2003) ou ENTRE SES MAINS (Anne Fontaine, 2005).

Elle devient muse du court métrage (Agnès Varda, Didier Blasco, Philippe Barassat, Sylvie Ballyot) et brille à la télévision (Virginie Wagon, Laurence Ferreira-Barbosa, CLARA SHELLER 2, 2008).

Les auteurs se l'arrachent, des discrets (Alain Guiraudie, Delphine Gleize, Sandrine Rinaldi, Valérie Mrejen) aux confirmés (L'INTOUCHABLE, Benoît Jacquot, 2006).

Elle est une jeune femme tiraillée entre son compagnon incarcéré et le gardien de prison de celui-ci dans 7 ANS de Jean-Pascal Hattu (2007).

Elle écrit, réalise et joue les courts métrages fantaisistes IL FAIT BEAU DANS LA PLUS BELLE VILLE DU MONDE (2008) et MADELEINE ET LE FACTEUR (2010).

Premier long métrage remarqué, LA REINE DES POMMES (2009) où elle joue Adèle qui se remet de sa rupture face à divers hommes joués par Jérémie Elkaïm, père de ses enfants à la ville. Dans BELLEVILLE TOKYO (Elise Girard, 2011), elle est enceinte et remuée par l'abandon de son homme alias Elkaïm.

Avec ce dernier, elle bouleverse les festivaliers cannois puis un large public avec LA GUERRE EST DÉCLARÉE (2011), parcours débordant de vie et d'amour d'un jeune couple confronté à la maladie de leur petit garçon.

Elle enchaîne avec MAIN DANS LA MAIN (2012) où elle pousse encore plus loin son goût pour le musical avec à l'image une nouvelle dans l'équipe qui occupe cette fois le premier rôle féminin : Valérie Lemercier.