Valérie Stroh commence à jouer très tôt au cinéma. Dans L'Ours et la poupée, elle était la nièce de Gaspard (Jean-Pierre Cassel) et dans Liza, la fille de Georgio (Marcello Mastroianni). On la verra également beaucoup à télévision, notamment dans le feuilleton L'Education sentimentale. Le réalisateur René Féret la prend sous son aile : elle joue dans quatre de ses films, notamment dans Baptême qui lui vaut sa nomination pour le César du meilleur espoir féminin en 1990 (c'est Vanessa Paradis qui l'obtient pour Noce blanche, de Jean-Claude Brisseau).

En 1991, sa carrière prend un nouveau tournant puisqu'elle passe derrière la caméra avec Un homme et deux femmes, expérience qu'elle réitèrera au niveau de l'écriture, avec Le Pressentiment, de Jean-Pierre Darroussin. Entre-temps, en 1993, elle consacre un documentaire à Eric Le Lann, trompettiste français de jazz. En 2006, elle est affiche du Grand Meaulnes, aux côtés de Jean-Jean-Baptiste Maunier et Nicolas Duvauchelle, et du Coeur des hommes 2. Nous la retrouvons en salles en 2008 avec Stella de Sylvie Verheyde.