Natural de Umbertide, na região italiana da Úmbria, Valentina Lodovini frequentou a Escola de Artes Dramáticas em Perugia, mudando-se, posteriormente, para Roma, onde continuou os seus estudos no Centro Sperimentale di Cinematografia. Os seus primeiros papéis como actriz de cinema foram em Ovunque sei (2004), de Michele Placido, apresentado no Festival de Cinema de Veneza, L'amico di famiglia (2006), de Paolo Sorrentino, e A casa nostra (2006), de Francesca Comencini.
Foge às convenções e procura conjugar teatro e séries televisivas, algumas de grande sucesso, como Distretto di Polizia e 48 Ore. Com Pornorama, o filme “picante” de Marc Routhemund (vencedor do Urso de Prata em 2005 com Sophie Scholl - Os Últimos Dias), obteve grande sucesso na Alemanha. Foi protagonista no filme La giusta distanza (2007), de Carlo Mazzacurati, onde interpreta Mara, uma professora primária que se muda para uma pequena aldeia vizinha e tem de lidar com a desconfiança e racismo dos seus habitantes. Recebeu, então, a sua primeira nomeação para os prémios David di Donatello como melhor actriz. No mesmo ano, apareceu na mini-série televisiva Coco Chanel, realizada por Christian Duguay, no canal italiano Rai Uno.
Foi considerada, juntamente com Carolina Crescentini, parte da “melhor juventude do cinema italiano”, no filme Generazione 1000 euro (2008) de Massimo Venier. Brilhou em Il passato è una terra straniera, de Daniele Vicari. Ao lado de outro talento do cinema italiano, Alba Rohrwacher, com quem frequentou o Centro Sperimentale di Cinematografia, em Roma, encontramo-la na pequena pérola, Riprendimi, um falso documentário de baixo orçamento, também sobre a precariedade no trabalho e nas relações, que alterna realidade e ficção.
Em 2009 regressou ao grande ecrã com Fortapàsc, de Marco Risi: um filme sobre Giancarlo Siani, jornalista do “Il Mattino”, morto em 1985 pela Camorra. Esta interpretação, tal como a de Generazione mille euro, permitem-lhe vencer o prémio Ciak d’oro para a revelação do ano. Depois de vários papéis difíceis e dramáticos, Valentina foi finalmente escolhida para um papel cómico em Benvenuti al Sud (2010), de Luca Miniero, recriação da comédia francesa de grande sucesso Bienvenue chez les Ch'tis. Ainda em 2010, participou em La donna della mia vita, comédia de Luca Lucini e no ano seguinte integrou o elenco da comédia de Veronesi, Una donna per amica. Depois da comédia de Gianni Di Gregorio, Buoni a nulla, filmou Ma che bella sorpresa di Alessandro Genovesi e I milionari, de Alessandro Piva. O seu mais recente fime, o thriller La verità sta in cielo de Roberto Faenza, acaba de estrear em Itália.