Bien que née en France, Valérie Mairesse passe le plus clair de son enfance dans le ciné-club de son père à Casablanca. A son retour en France, elle sait déjà qu'elle veut être comédienne quand elle aura passé son bac. Elle commence par travailler à la régie pour la troupe du Splendid, grâce à laquelle elle aura ensuite son premier rôle sur les planches. Elle se voit offrir des petits rôles dans plusieurs productions françaises telles que L'Agression (1975) de Gérard Pirès, Adieu poulet (1975) de Pierre Granier-Deferre, ou encore Calmos de Bertrand Blier (1976).

C'est en 1977 que le cinéma lui offre son premier grand rôle dans L'Une chante, l'autre pas d'Agnès Varda. Les tournages s'enchaînent pour elle, on la voit la même année dans le rôle féminin principal du téléfilm Emmenez-moi au Ritz (TV) et au cinéma dans Repérages. En 1980, elle apparaît successivement dans deux comédies aux côtés de Pierre Richard , tout d'abord C'est pas moi, c'est lui où elle joue Valérie, l'amante d'Aldo Maccione, puis Le Coup du parapluie sous la direction de Gérard Oury. Entre 1980 et 1981, elle s'essaie à la musique et sort trois disques.

Mais la renommée populaire arrive réellement en 1983 avec son rôle d'Isabelle Morizet dans Banzaï de Claude Zidi, où elle tient le haut de l'affiche au côtés de Coluche. Le film connaît un immense succès en salle. On la voit ensuite dans la comédie Les Frères Pétard (1986) et dans Funny boy (1987).

Entre 1990 et 2002, Valérie Mairesse conjugue projets cinématographiques et télévisuels. Côté télévision, elle prête sa voix au téléfilm L'Ex-femme de ma vie (TV) (1990), tourne La Dame aux camélias (TV) (1998) de Jean-Claude Brialy, joue une mère de jeune toxicomane dans Mère de toxico (TV) (2000) et tient un rôle secondaire dans Froid comme l'été (TV) (2002). Parallèlement, la comédienne continue à se représenter dans de nombreuses pièces de théâtre. Côté cinéma, elle retrouve la troupe du Splendid pour la comédie déjantée Les Secrets professionnels du Dr Apfelglück (1991), tourne sous la direction de Jean-Pierre Mocky dans Ville à vendre (1991). Elle intègre le casting prestigieux d'Un Crime au paradis (2000), campe un petit rôle dans Après la vie (2001) et dans Un couple épatant (2001).

On la retrouve plus récemment dans Michou d'Auber (2005) et Enfin veuve (2007).