Valeria Golino nasce in un ambiente eclettico e cosmopolita, che influenzerà a priori il suo percorso esistenziale e artistico. Il padre è italiano, la madre una giovane pittrice greca, da cui erediterà il volto corrusco e vagamente orientale e il colorito ambrato. Il fratello è un musicista, mentre lo zio Enzo è giornalista. Il nonno era proprietario dell'Hotel Bella Napoli, anche residenza di famiglia. I genitori si separano quando Valeria è piccola e lei trascorre l'adolescenza fra Napoli e Atene, attingendo a piene mani dal temperamento solare e verace di un Meridione non soltanto italiano. In Grecia comincia a lavorare come modella e, all'età di sedici anni, si trasferisce a casa dello zio a Roma. È a un party che conosce la regista Lina Wertmüller, che la nota e la scrittura, nei panni della figlia di Ugo Tognazzi, per il film Scherzo del destino in agguato dietro l'angolo come un brigante di strada (1983). Perdendo di vista il suo sogno di adolescente, fare la cardiologa, prosegue la carriera di attrice: a 19 anni ottiene il suo primo ruolo da protagonista, è Peter Del Monte a offrirglielo in Piccoli fuochi (1985). L'anno successivo comincia già a fare sul serio, vincendo a Venezia la Coppa Volpi come miglior attrice per la sua interpretazione in Storia d'amore di Francesco 'Citto' Maselli, dove interpreta Bruna, una ragazza di borgata coinvolta in un drammatico triangolo amoroso.

Il premio è anche l'occasione per il suo lancio internazionale: incline al viaggio e alla deriva, a ventidue anni si trasferisce a Los Angeles, dividendo l'appartamento con Greta Scacchi, per seguire il fidanzato dell'epoca, l'attore americano Pee-Wee Herman, che la fa scritturare per il La mia vita picchiatella (1988) di Randal Kleiser. Diventa celebre il bacio cinematografico di tre minuti fra i due attori-fidanzati.
Nello stesso anno ottiene il ruolo di una vita, perlomeno della sua prima fase lavorativa: quello di fidanzata di Tom Cruise, fratello di finzione di Dustin Hoffman autistico in Rain Man di Barry Levinson. I produttori, pare, volevano un'attrice sconosciuta, dal valore di mercato ancora esiguo e piuttosto bassa in modo da non far sfigurare i due protagonisti maschili.
Nel 1991, il ritorno in Italia coincide con un film, Tracce di vita amorosa sempre di Peter Del Monte, dalla vita commerciale piuttosto travagliata. L'anno successivo, invece, è in Messico a girare Puerto Escondido di Gabriele Salvatores. Sul set di Come due coccodrilli (1995) di Giacomo Campiotti, recita accanto a Fabrizio Bentivoglio, a cui si era già legata sentimentalmente. Vive fra Roma e l'America ma sono anni difficili, sia per il cinema italiano sia per la sua carriera: il suo successo è malvisto e suscita invidie (a tal punto che si comincia a straparlare anche sui suoi orientamenti sessuali) e la sua caratteristica voce nasale non è ancora molto accettata in patria, dove spesso è doppiata. In America, sempre a causa del suo timbro peculiare e sfuggente, Julia Roberts vince ai provini il ruolo di Pretty Woman. "In America sono un'attrice straniera, in Italia anche", dirà Valeria con una punta di amarezza. La sua formazione cosmopolita - parla correttamente italiano, greco, inglese, francese - continua a essere apprezzata, in ogni caso, e a offrirle parti di rilievo saranno registi italiani e internazionali, sia comici sia drammatici: Valeria Golino ha occasione di lavorare con Jerzy Skolimowski (Acque di primavera, 1989), Sean Penn (Lupo solitario, 1991), Jim Abrahams (Hot Shots, 1991; Hot Shots 2, 1993), Gary Oldman (Amata immortale, 1993), Mike Figgis e Nicolas Cage (Via da Las Vegas, 1995), John Carpenter (Fuga da Los Angeles, 1996).
Con Silvio Soldini, nel 1997, ottiene una nuova parte di protagonista, per il film Le acrobate. Nel frattempo si cimenta anche come produttrice (La strage del gallo, 1994, di Andrea Pantzis, mai distribuito in Italia) e viene diretta per la terza volta da Peter Del Monte, suo ex compagno, in Controvento (2000). Il film, di nuovo, non va molto bene al botteghino ma per l'attrice è l'occasione di farsi, per la prima volta, una seria carriera in patria: la ritroviamo ne L'inverno di Nina di Majo, nel ruolo di Anna, una donna fragile e nevrotica, sottomessa a un marito maschilista e cinico a cui pure non sa rinunciare, e poi soprattutto in Respiro (2002) di Emanuele Crialese, dove interpreta Grazia, donna e minerale dalla fisicità febbrile e dalla vividezza pulsante che trabocca, oltrepassa i confini umani e non può essere contenuto nella limitata morsa della ragione.
Sono poi La guerra di Mario (2005) di Antonio Capuano, Texas (2005) di Fausto Paravidino (sul set del quale conosce il nuovo latin lover nostrano Riccardo Scamarcio, a cui si lega affettivamente nonostante la notevole differenza di età, destando così rinnovato scandalo) e A casa nostra (2006) di Francesca Comencini a risultare i pezzi mancanti di un puzzle composito e frammentario ma sempre intenso e passionale nonostante sia ancora palesemente incompleto.