Valeria Golino grandit tout d'abord à Naples, puis à Athènes, où elle entame à l'âge de 14 ans une carrière de mannequin.
Après son premier rôle en tant qu'actrice, elle abandonne ses études pour se tourner vers ce qui allait devenir son métier. En 1985 elle obtient son premier grand rôle, et en 1986 elle est récompensée à Venise pour son interprétation dans le film Storia d'amore.
Elle tourne ensuite dans plusieurs productions européennes (Dernier été à Tanger, Les lunettes d'or, Trois sœurs), elle décide de se tourner vers Hollywood. On la retrouve dans des premiers rôles féminins dans Big Top Pee-wee, puis Rain Man, Hot Shots, et bien entendu sa suite Hot Shots 2.
A partir de là, elle partagera son temps entre l'Europe (essentiellement l'Italie et la France) et les Etats-Unis.
 
Elle parle couramment l'italien (sa langue maternelle), mais aussi le français, l'anglais, et a des notions en espagnol.
 
Côté vie privée, elle a été en couple avec le réalisateur Peter Del Monte (entre 1985 et 1987), Paul Reubens (entre 1987 et 1988), l'acteur Benicio del Toro (entre 1988 et 1992), l'acteur Fabrizio Bentivoglio (entre 1993 et 2001), l'acteur Andrea Di Stefano (de 2002 à 2006), et depuis 2006 elle vit en couple avec l'acteur Riccardo Scamarcio.
Elle est une très bonne amie des personnalités suivantes: Sean Penn, Asia Argento, Patricia Arquette (elle était même demoiselle d'honneur au mariage de cette dernière), Salma Hayek, Mike Figgis, Greta Scacchi, ou bien encore Vincent D'Onofrio.