Dès son plus jeune âge, Fanny Valette étudie la danse et le piano. A l'âge de 8 ans environ, elle auditionne et décroche un rôle dans la série Une famille pour deux.

Elle apparaît pour la première fois au cinéma en 1999 dans Le Fils du Français, comédie de Gérard Lauzier, mais c'est pour son rôle dans La Petite Jérusalem, dans lequel elle joue une jeune Juive de 18 ans confrontée à l'amour, que Fanny Valette est révélée au grand public. Sa prestation est acclamée et lui vaut une nomination au César du "meilleur espoir féminin". Deux ans plus tard, on la retrouve aux côtés de Romain Duris et de Fabrice Luchini dans Molière, incarnant la fille de ce dernier. Elle retrouve par la suite la comédie dans Changement d'adresse, aux côtés du chanteur Dany Brillant, où elle joue l'élève d'un musicien. A tout juste 22 ans, elle tient avec Robinson Stévenin la tête d'affiche du drame Sur ta joue ennemie, troisième réalisation de Jean-Xavier de Lestrade.

En 2009, l’actrice s’essaye au genre du thriller avec l'angoissant Vertige. La même année, elle joue avec Pio Marmai dans La Loi de Murphy avant de prêter ses traits en 2010 au personnage de Rosa Derouault, une chanteuse éprise de Rudi Rosenberg dans Je ne vous oublierai jamais, un drame se déroulant à Marseille en 1941. En 2012, Fanny Valette joue dans le thriller La Traversée. Elle incarne alors une jeune femme mystérieuse aux côtés de Michaël Youn, papa en quête de réponses sur le mystérieux enlèvement de sa fille.