Second enfant d'un père germaniste italien napolitain et d'une mère peintre grecque{{sfn}}, Valeria Golino grandit à Naples jusqu'à ce que ses parents déménagent. Elle est la nièce du journaliste Enzo Golino, et également la sœur du saxophoniste Alex Golino. Après trois ans passés à Athènes avec sa mère et trois ans à Naples avec son père, elle commence à travailler comme mannequin à l'âge de quatorze ans. Elle quitte l'école après son premier film. En plus de sa langue maternelle l'italien, elle parle le grec, le français, l'anglais et a aussi quelques notions d'espagnol.
En 1985, elle obtient le premier rôle dans Piccoli fuochi. L'année suivante, elle remporte le prix de la meilleure actrice à la Mostra de Venise pour son rôle dans Storia d'amore. Après quelques rôles dans des coproductions européennes, elle entame une carrière à Hollywood (Big Top Pee-wee en 1988) et obtient les premiers rôles féminins dans Rain Man, Hot Shots! et Hot Shots! 2 de Jim Abrahams{{sfn}}{{,}}{{sfn}}. Elle est également remarquée dans Respiro d'Emanuele Crialese en 2002{{sfn}}, Actrices de Valeria Bruni Tedeschi en 2007 et Les Beaux Gosses de Riad Sattouf en 2009{{sfn}}. Sa carrière se partage alors entre les États-Unis et l'Europe, notamment l'Italie.
En 2013, elle réalise son premier long-métrage, Miele, présenté au Festival de Cannes 2013, dans la section Un certain regard. Très bien accueilli{{sfn}}{{,}}{{sfn}}{{,}}{{sfn}}, il est récompensé à Cannes d'une mention spéciale par le jury œcuménique, qui précise : {{Citation}}{{sfn}}.
En 2014, elle est membre du jury de la section Best First Feature Award lors de la Berlinale 2014.
En décembre 2015 elle est membre du jury courts métrages du {{15e}} Festival international du film de Marrakech, présidé par Joachim Lafosse.
Son compagnon est l'acteur Riccardo Scamarcio{{sfn}} qu'elle épouse en 2015.