Fille d'agriculteurs aisés, Valérie Lemercier grandit à Gonzeville, en Seine-Maritime, au milieu de trois soeurs. Enfant timide et sauvage, elle se fait remarquer en faisant le clown, à l'école et à la maison. Ses talents d'observatrice et d'imitatrice la menant naturellement vers la comédie, elle intègre le Conservatoire de Rouen puis monte à Paris à 18 ans, où elle multiplie les petits boulots tout en prenant des cours de théâtre. Jean-Michel Ribes lui donne sa chance en 1988 en lui offrant le rôle de Lady Palace, gardienne du bon goût dans la série à succès Palace.

Lemercier accède ainsi à la notoriété en composant un personnage de bourgeoise coincée, décliné dans des pubs (le fameux "C'est moi qui l'ai fait !") mais aussi au cinéma, de Milou en mai de Louis Malle (sa première apparition à l'écran, en 1990) à L'Operation Corned-beef. De ce point de vue, Les Visiteurs de Jean-Marie Poiré constitue un aboutissement. Elle décroche un César du Meilleur second rôle féminin pour sa double prestation (en Dame Frénégonde et en Béatrice de Montmirail), mais ne participe pas à la suite de cette comédie au succès triomphal.

L'actrice, qui dévoile l'étendue de son répertoire dans des one-woman-show caustiques, salués par trois Molières, se fait alors plus rare au cinéma et s'éloigne quelque peu du rôle-type qui l'a fait connaître. On la retrouve ainsi en névrosée dans Casque bleu et en amoureuse pudique dans Vendredi soir, un rôle à contre-emploi imaginé par Claire Denis (2002).

Après s'être essayée à la chanson (dans un album enregistré avec Bertrand Burgalat en 1996), l'imprévisible Lemercier, auteur de pubs très remarquées, réalise en 1997 son premier long métrage, Quadrille, remake du marivaudage bourgeois de Guitry. Ce coup d'essai est suivi du Derrière (1999), comédie sur l'homosexualité dans laquelle elle dénonce les excès du politiquement correct. Réalisatrice et scénariste, Lemercier s'attribue également le rôle principal de ses films. Elle incarne ainsi Armelle, princesse malgré elle dans Palais royal ! (2005), peinture décapante du monde des têtes couronnées.

Devant la caméra, elle participe aussi aux films choraux Fauteuils d'orchestre (avec à la clé un nouveau César du Meilleur second rôle en 2007) et Le Héros de la famille, mais c'est elle seule qui porte de bout en bout Agathe Cléry (2008), comédie musicale d'Etienne Chatiliez sur une femme raciste qui découvre que sa peau est devenue noire.

Depuis, Valérie Lemercier semble vouloir renouer avec la comédie et son rôle de bourgeoise autoritaire à la voix haut perchée, interprétant coup sur coup la mère du très conservateur Charles dans Neuilly sa mère !, celle du Petit Nicolas dans l'adaptation de Laurent Tirard ou encore la patronne d'une agence de croisière revancharde dans la comédie au casting quatre étoiles Bienvenue à bord. Entre-temps, la comédienne effectue une brève parenthèse hors de nos frontières dans le film américain Bienvenue à Monte-Carlo, dans lequel elle s'affiche avec les idoles des plus jeunes Selena Gomez et Cory Monteith.

En 2012, elle peut être vue à la fois dans le premier film de Frédéric Beigbeder, L'Amour dure trois ans, en compagnie de la très demandée Louise Bourgoin, ainsi que dans Astérix et Obélix: Au service de sa Majesté, le quatrième film consacré aux aventures du petit Gaulois. Se focalisant sur son registre de prédilection, la comédie, Lemercier incarne la compagne de Gilles Lellouche goûtant aux joies de l'adoption dans 100% Cachemire (2013) et une femme de 50 ans contrainte de revenir chez ses parents dans Marie-Francine (2017), deux films qu'elle scénarise et met en scène.

Après avoir repris des personnages qu'elle a déjà joués pour les besoins des suites Les Vacances du petit Nicolas et Neuilly sa mère, sa mère et incarné la coach dans Forte, Valérie Lemercier réalise son sixième film avec Aline. Pour l'occasion, la cinéaste choisit de s'inspirer du parcours de la chanteuse la plus célèbre de tous les temps : Céline Dion. Elle joue elle-même Aline Dieu, alter ego fictif de la Québécoise. Une prestation qui lui permet d'obtenir le César de la Meilleure Actrice en 2022.