Une fois révélée son envie de jouer la comédie, Valérie Bonneton quitte son Nord natal pour la capitale où, la passion et le talent aidant, elle intègre le Cours Florent puis rejoint le prestigieux Conservatoire national d'art dramatique. Elle débute dans la profession entre cinéma et théâtre, deux activités qu'elle mènera de front tout au long de sa carrière. Elle s'initie sur les planches sous la direction d'Antoine Vitez puis connaît le travail de Roger Planchon et Julie Brochen, ou celui de Yasmina Reza grâce à qui elle obtient sa première récompense à la cérémonie des Molières.
Après un court métrage d'Hélène Angel intitulé La Vie parisienne, elle débute sur grand écran en 1996, aux côtés du couple Charlotte Gainsbourg/Yvan Attal dans un film de Marion Vernoux: Love etc.. Ses principaux rôles traduisent une prédilection pour la comédie puisqu'en dehors du drame Jeanne et le garçon formidable en 1998, on la reconnaît dans les comédies Mookie (1998), La Mort du Chinois (id.), L'Homme de ma vie (id.), Voyance et manigance (2001), France boutique (2002), La Jungle (2005) ou encore L'Ecole pour tous (id.). Elle collabore néanmoins avec Olivier Assayas sous les conseils de qui elle travaille sur Les Destinées sentimentales en 2000 et sur L'Heure d'été huit ans plus tard, tout en conservant le ton léger des comédies plus grand public telles que Je vous trouve très beau (2005) ou Bouquet final (2008).
La télévision lui propose un rôle récurrent en 2007, dans la série déjantée Fais pas ci, fais pas ça, où elle interprète une mère de famille aux côtés de Bruno Salomone et Isabelle Gélinas. L'année 2010 lui offre l'opportunité d'apparaître dans l'un des films les plus attendus puisqu'elle prend part au prestigieux casting des Petits mouchoirs mis en scène par Guillaume Canet. L'actrice retrouve également la réalisatrice de ses débuts, Hélène Angel, pour les besoins de l'angoissant thriller Propriété interdite (2011), dans lequel elle joue l'épouse fragile et névrosée de Charles Berling.
Privilégiant la comédie et les rôles de femmes au caractère bien trempé, Valérie Bonneton incarne entre autres l'ex-femme de Dany Boon dans Eyjafjallajökull, une bourgeoise de gauche souhaitant aider les sans abris dans Le Grand partage ou encore la femme trompée de Didier Bourdon dans Garde alternée. En 2018, la comédienne se glisse dans la peau de la belle-soeur de Dany Boon dans La Chtite famille.