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 qui la dirige 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 offre en 2007 le rôle qui va la faire connaître auprès du grand public. Dans Fais pas ci, fais pas ça, qui confronte deux familles aux méthodes d'éducation opposées, elle interprète Fabienne Lepic, une mère de famille stricte et conservatrice au fort caractère. La série comique, également portée par Guillaume de Tonquédec, Bruno Salomone et Isabelle Gélinas, remporte un vif succès sur France 2 et comptera neuf saisons et deux téléfilms.

En 2010, elle apparaît dans l'un des films les plus attendus puisqu'elle prend part au prestigieux casting des Petits mouchoirs mis en scène par Guillaume Canet. Elle est également au générique de sa suite, Nous finirons ensemble, en 2019. L'actrice retrouve 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 joue la belle-sœur de Dany Boon dans La Chtite famille.

Si elle se glisse en 2021 dans un costume d'époque pour les besoins d'Eugénie Grandet, adapté du roman de Balzac, l'actrice reste fidèle à la comédie. On la retrouve ainsi aux côtés de Benoît Poelvoorde dans Venise n'est pas en Italie, en religieuse fofolle dans Juste ciel !, en agricultrice dans C'est le monde à l'envers !, ou encore en épouse de Kad Merad, persuadée d'être victime d'une malédiction, dans Les Boules de Noël (2024).