Petite-fille du comédien Gino Cervi, Peppone dans la série des Don Camillo, Valentina Cervi fait ses débuts devant la caméra dans le premier film de Francesca Archibugi, Mignon est partie. L'actrice au charme trouble attendra quelques années avant de retrouver le chemin des plateaux. Mais en 1996, elle est choisie par Jane Campion pour être la fille de John Malkovich dans Portrait de femme.

En 1997, c'est encore une réalisatrice qui offre à Valentina Cervi un rôle très fort. Dans Artemisia d'Agnes Merlet, elle incarne une des premières femmes peintres, dans l'Italie du XVIIe siecle. Le film est un échec commercial, mais l'actrice fait ainsi des débuts remarqués dans le cinéma français. Pour son film suivant, Rien sur Robert, de Pascal Bonitzer, dans lequel son personnage de jeune fille tourmentée séduit Fabrice Luchini, l'actrice décroche une nomination au César du Meilleur jeune espoir féminin. Si on la retrouve en France en 2003 dans Sansa de Siegfried, Valentina Cervi poursuit une carrière internationale en tournant la même année avec le britannique Peter Greenaway dans The Tulse Luper suitcases.