Née à Rome, Valentina Cervi est la fille du producteur Tonino Cervi et la petite-fille du célèbre acteur Gino Cervi (Peppone dans les films Don Camillo). Valentina Cervi débute sa carrière d'actrice en 1986, à l'âge de 10 ans, dans le film de Carlo Cotti Portami la luna. Valentina Cervi a joué dans le film de Jane Campion The Portrait of a Lady en 1996.

Elle est également connue pour avoir joué le rôle-titre dans Artemisia d'Agnès Merlet, librement inspiré de la vie de la peintre Artemisia Gentileschi. Ce film a suscité la controverse en décrivant la relation entre Agostino Tassi (joué par Miki Manojlović) et Artemisia comme étant une liaison passionnée, au lieu d'un viol.

En 2011, elle joue Arianna dans la mini-série italienne "Zen", et Bertha dans l'adaptation cinématographique de Jane Eyre par Cary Fukunaga. Elle incarne le vampire Salomé dans la série américaine True Blood.