Mark Valley a bien failli ne pas devenir comédien. Diplômé de la prestigieuse West Point Academy, il rejoint les rangs de l’armée et participe à la Guerre du Golfe. Alors qu’il sert à Berlin, le capitaine Mark Valley est remarqué par un agent qui lui fait faire ses premiers pas devant la caméra à la télévision allemande. Il décroche en 1993 un petit rôle dans le film The Innocent, tourné en Allemagne, avec Anthony Hopkins et Isabella Rossellini en tête d’affiche. Une révélation pour ce jeune militaire qui décide de changer de carrière !

Après quelques essais sur les planches, Mark Valley rentre aux Etats-Unis. Très vite, il tourne quelques publicités et joue un prêtre dans le soap Another World. Sa prestation lui permet de rejoindre l’équipe de Des jours et des vies, où il succède à Matthew Ashford dans la peau de Jack Deveraux. Son départ du show, à l’issue de son contrat de trois ans, déconcerte les fans, habitués à le voir dans la peau du personnage. Il se démarque en incarnant Robert Kennedy dans la saga en quatre parties George Wallace, avec Gary Sinise dans le rôle-titre. La même année, il décroche un rôle mineur dans la production HBO Breast Men. Il devient le chef d’une équipe tactique du FBI dans Couvre-feu et revêt la blouse de médecin pour Un Couple presque parfait. Enfin, il obtient en 2000 le rôle principal du tueur de Jericho.

La télévision offre de nombreuses opportunités à Mark Valley avec des apparitions dans Le Damné, Diagnostic : Meurtre, Les Experts, The Lone Gunmen, Gideon's Crossing et la comédie Spin City. Récurrent dans Deuxième Chance, il séduit Marin Hinkle et il interprète l’ex-époux de Maura Tierney dans Urgences, avant de décrocher son premier rôle régulier dans une série. A la rentrée 2001, Mark Valley devient l’arrogant Robert Greeley, partenaire de Dana Delany dans la trop brève Pasadena, annulée par la Fox au bout de 13 épisodes faute d’audience suffisante. Sa série suivante, Keen Eddie, ne fait guère mieux, lui valant quelques mauvaises critiques. L’équipe créative du show fait tout de même appel à lui en 2003 pour leur nouveau projet, Harry Green and Eugene, qui ne dépassera pas le stade du pilote. Loin de se laisser abattre, le comédien enchaîne avec Les 4400, New York Unité Spéciale, Swingtown, et il prête sa voix au Cyclope de Shrek le troisième.

Le vent tourne en 2004 dans le bon sens avec Boston Justice. David E. Kelley offre à Mark Valley le rôle de l’avocat Brad Chase dans sa nouvelle série judiciaire avec William Shatner et James Spader. Rôle qu’il tiendra durant trois saisons ! J.J. Abrams l’engage en 2008 pour sa nouvelle production, Fringe. Il y incarne l’énigmatique John Scott, amant secret de l’agent Olivia Dunham. Sa participation est brève mais lui permet de se faire connaître auprès d'un large public et d'obtenir la proposition suivante. Simon West, qui avait déjà travaillé avec lui sur Keen Eddie et Harry Green and Eugene, mise une troisième fois sur le comédien et lui confie la tête d’affiche de Human Target : la cible. Dans ce nouveau show de la mi-saison 2009-2010, Mark Valley incarne Christopher Chance, un garde du corps casse-cou prêt à sacrifier sa vie pour protéger celle de ses clients.