Valeria Golino grandit entre la Grèce et l'Italie et se lance dès ses 16 ans dans le mannequinat. Les nombreuses publicités de sous-vêtements dans lesquelles elle apparaît lui permettent de tenter sa chance au cinéma. Pour ses débuts devant la caméra, elle incarne la fille d'Ugo Tognazzi dans Joke of Destiny (1983). N'ayant jamais suivi de cours d'art dramatique et n'ayant connu aucune expérience théâtrale, l'apprentie comédienne décide malgré tout d'abandonner ses études et de mettre en avant sa parfaite maîtrise de l'Italien, du Grec, mais aussi de l'Anglais et du Français pour multiplier les auditions. Résultat : en 1986, elle étonne le jury du Festival de Venise qui lui remet le Prix de la Meilleure actrice pour sa prestation dans la romance Storia d'amore.

Décidée à mener une carrière internationale, cette jolie brune aux yeux clairs tourne sous la direction d'Alexandre Arcady (Dernier été à Tanger, 1987) et de Randal Kleiser (Big top Pee-wee, où elle interprète une acrobate). Mais la consécration arrive véritablement en 1988 lorsque le grand public l'associe à la petite amie de Tom Cruise dans Rain man. Dès lors, l'actrice partage sa vie professionnelle entre les Etats-Unis et l'Italie. Au début des années 90, on la retrouve dans les deux volets de la saga parodique Hot shots ! (1991 - 1993) aux côtés de Charlie Sheen. Elle tourne également pour de grosses pointures du cinéma américain : Sean Penn (The Indian runner, 1991), John Frankenheimer qui l'imagine en terroriste dans L'Année de plomb (1992), Mike Figgis (Leaving Las Vegas, 1996) ou John Carpenter (Los Angeles 2013, id.).

Dans son pays d'origine, la belle s'illustre dans Les Acrobates (1997), L'Albero delle pere (1998) et la coproduction franco-italo-turque Le Dernier harem (1999). Privilégiant les rôles forts du circuit indépendant, elle campe en 2000 une lesbienne mourante dans Ce que je sais d'elle... d'un simple regard et retrouve en 2001 Mike Figgis pour Hotel. Deux ans après, elle contribue au succès "surprise" de Respiro en apparaissant en mère célibataire fantasque rejetée par les habitants de son village. Souhaitant par la suite s'imposer sur la scène cinématographique française, Valeria Golino enchaîne les tournages sur notre territoire, alternant les genres : le polar (36 Quai des Orfèvres, 2004), la comédie (Olé !, Ca$h) ou le drame choral (Ma place au soleil, 2007). Choisissant parfois ses rôles en fonction de ses partenaires, elle accepte volontiers de donner la réplique à Nanni Moretti dans Caos Calmo, film d'Antonello Grimaldi présenté au Festival de Berlin en 2008.