Née Anne-Charlotte Pascal en 1968, elle fait ses débuts au cinéma en 1985 sous le pseudonyme Charlotte Valandrey. Dans Rouge Baiser de Véra Belmont, elle campe Nadia, une jeune militante des Jeunesses communistes qui découvre l'amour et les contradictions de ses choix politiques. Présenté à la Berlinale en 1986, le film lui vaut le Prix d'interprétation du festival, suivi par une nomination au César du Meilleur espoir.

La même année, Charlotte Valandrey apprend sa séropositivité. Elle ne révélera sa situation (et la greffe du cœur qu'elle a subi après plusieurs infarctus, une première en France pour une personne atteinte du VIH) qu'en 2005, dans le livre L'Amour dans le sang, se libérant ainsi d'un lourd secret et brisant un tabou. L'ouvrage est adapté à l'écran en 2007 dans un téléfilm où elle joue son propre rôle.

Entre-temps, Charlotte Valandrey est devenue une figure majeure du petit écran, en s'illustrant dans la série policière Les Cordier, Juge et Flic qui fait les belles heures de TF1 de 1992 à 2005. Multipliant les rôles et apparitions dans divers téléfilms, séries et programmes tout en s'illustrant au théâtre et dans l'écriture, l'actrice retrouve un rôle récurrent de 2017 à 2019 dans Demain nous appartient. Elle quitte la série quotidienne en juillet 2020 en accord avec la production, regrettant que les intrigues autour de son personnage ne se renouvellent pas suffisamment.

Également active dans le doublage, l'actrice avait prêté sa voix à quelques longs métrages comme Catwoman, Assaut sur le central 13, Otage ou The Ghost Writer et surtout Harry Potter et la Coupe de feu dans lequel elle doublait la journaliste Rita Skeeter (interprétée à l'écran par Miranda Richardson).

Charlotte Valandrey avait été opérée en urgence en juin 2022 alors que son deuxième cœur était "arrivé en bout de course" comme elle l'expliquait sur son compte Instagram. Cette nouvelle greffe n'aura malheureusement pas pris comme l'ont indiqué ses proches au moment de sa disparition.