Petite-fille de Virginio Bruni Tedeschi, fondateur dans les années 1920, à Turin, de la CEAT (Cavi Elettrici Affini Torino), très vite hissée au second rang des constructeurs de pneumatiques de la Péninsule. Virginio Bruni Tedeschi, juif italien, se convertit pendant la Seconde Guerre mondiale et épouse une catholique, quittant ainsi la communauté juive de Turin. Valeria est la fille du compositeur d'opéra Alberto Bruni Tedeschi, et de l'actrice et pianiste concertiste Marisa Borini. Elle est la sœur aînée de Carla Bruni. Son frère aîné Virginio, né le 20 septembre 1959, est décédé le 4 juillet 2006. Son compagnon est l'acteur Louis Garrel depuis 2007 (leur histoire a commencé sur le tournage d'Actrices). Elle a une fille, Céline, adoptée en mars 2009.