Figlia dell'attore Francesco Carnelutti, Valentina è ciò che si può definire un'artista a tutto tondo. A soli dodici mesi di vita, la piccola si trasferisce con la famiglia nella Capitale. Non ancora sedicenne, l'adolescente fa il suo ingresso sul palcoscenico ne "La Confessione" di W. Manfré, in "The Story of a Soldier" di Peter Sellars, nonché in "Mal de Viver" e "La Maladie de la Mort'", per la regia di papà Francesco.
Nel 1990 comincia a prendere lezioni di danza classica e contemporanea: prima alla scuola "Mimma Testa", poi all'accademia "Arte e Balletto" di Milena Zullo, proseguendo la sua formazione di ballerina assieme a Andy Peck. Impara, inoltre, a cantare sotto la direzione di Maria Bohn e Claudia Toti. In seguito frequenta per un biennio il "Teatro Azione" di Cristiano Censi.
Il suo bagaglio formativo attoriale è decisamente ampio; dal 1994 sino ad oggi, Valentina ha seguito seminari caratterizzati dal "metodo Lee Strasberg" con Susan Batson, Geraldine Baron e Marilyn Fried di cui è diventata assistente, dividendosi tra Roma e New York. Successivamente, la zelante fanciulla si cimenta nei corsi di "teatro rituale" con Richard Schechner. E ancora, apprende i segreti della mimica nella scuola "Mimo teatro Movimento" di Lydia Biondi ma, soprattutto, al fianco dell'inimitabile Marcel Marceau. Nel 1997 eccola al "Centro Nacional para las Artes" di Città del Messico, dove studia regia teatrale e recitazione con Ludwik Margules.
Al cinema Valentina arriverà nel 1993 grazie al cortometraggio Maria, firmato da Daphne Mc Curdy. Si muoverà sui ritmi latini di Lucio Pellegrini in E allora Mambo!, dovrà vedersela con l'insaziabile Hannibal di Ridley Scott e sarà nei racconti de La meglio gioventù di Marco Tullio Giordana. Nel 2008 indossa i panni di una telefonista coatta e nevrotica nella commedia proletaria di Virzì Tutta la vita davanti. Sarà poi sul set del film drammatico Un gioco da ragazze di Matteo Rovere. Preferisce i piccoli film d'autore (Marpiccolo, Il paese delle spose infelici, Arianna) e continua a lavorare per Virzì anche nel film del 2016 La pazza gioia.
La Carnelutti è anche interprete radiofonica per Radio Rai, nonché doppiatrice. Ha doppiato le protagoniste di Il matrimonio di Lorna dei fratelli Dardenne, Il vento che accarezza l'erba di Ken Loach, Lezione 21 di Alessandro Baricco, Cantando dietro ai paraventi di Ermanno Olmi, La mia vita senza me di Isabel Coixet. Si è persino confrontata come autrice, stilando a quattro mani con Angelo Orlando la pellicola Sfiorarsi, di cui è anche interprete.
Valentina è in grado di recitare correttamente in inglese, francese, spagnolo e portoghese.