Valérie Donzelli décroche d'abord de petits rôles pour le cinéma comme celui de Nathalie en 2003, dans le thriller français Qui a tué Bambi ? ou encore dans Le plus beau jour de ma vie avec Hélène de Fougerolles l'année suivante. Elle tiens également un petit rôle dans le film belgo-français Entre ses mains d'Anne Fontaine en 2005 aux côtés d' Isabelle Carré et Benoît Poelvoorde.
Mais c'est à la télévision, grâce à deux fictions diffusées sur France 2, que Valérie Donzelli se fait connaître du grand public. En 2005 elle joue Jeanne dans la série désormais célèbre "Clara Sheller" qui suit les tribulation d'une jeune trentenaire un peu perdue, en 2007 elle tient l'un des rôles principaux des "Camarades" qui retrace le destin de 6 jeunes résistants communistes après la Libération.
La même année Jean-Pascal Hattu lui offre son premier grand rôle dans 7 ans où elle interprète Maïté dont le mari vient d'être condamné à sept ans de prison. Elle jouera ensuite dans le très poétique Homme qui rêvait d'un enfant de Delphine Gleize, aux côtés de Darry Cowl et Artus de Penguern. C'est derrière la caméra que l'on retrouve Valérie Donzelli avec son premier court métrage Il fait beau dans la plus belle ville du monde, présenté à la Quinzaine Des Réalisateurs 2008.
En 2010, elle revient à la réalisation mais avec un long-métrage cette fois : La reine des pommes, dont elle tient aussi le rôle principal, celui d'Adèle, une jeune trentenaire qui tente de reconstruire sa vie après une rupture. C'est le début d'une période faste pour celle qui a un temps partagé la vie de Jérémie Elkaïm : second rôle de luxe (Pourquoi tu pleures ?, L'Art de séduire), coeur battant de romance autobiographique (Belleville-Tokyo) voire choeur de fortune pour Benjamin Biolay sur l'album La Superbe, Valérie touche-à-tout avec grâce.
Côté réalisation, Donzelli cinéaste s'affirme avec un film très autobiographique, co-écrit avec so, ex-mari Jérémie Elkaïm, La Guerre est déclarée. Véritable succès à la semaine de la critique de Cannes 2011, cette énergique histoire d'amour est un coup de coeur de la presse française en 2011.
César 2012 : nominée pour le César de la meilleure actrice et le César du meilleur réalisateur pour La guerre est déclarée.
