Кортезе начала сниматься в Италии в 1941 году. В 1944-1946 годах выступала на сценах драматических театров.
Переворотом в карьере актрисы стала главная роль в картине «I Miserabili» (1947) по произведению Виктора Гюго. Международный успех британской мелодрамы «Хрустальная Гора» (1949) привел к тому, что актриса стала получать предложения из Голливуда (в США снималась под фамилией Кортеза): она сыграла в фильмах «Воровское шоссе» (1949).
Её актёрская карьера в США началась после выхода фильма «Дом на телеграфном холме» в 1951 году, в котором она играла со своим будущим мужем Ричардом Бейсхартом Ричардом Бейсхартом. Они поженились в том же году, а спустя 9 лет развелись. От этого брака у Валентины остался сын — актер Джеки Бейсхарт.
На сцене выступала в миланском Театро Пикколо, играла в постановках Джорджо Стрелера. На ее счету главные роли в таких спектаклях, как «Мэри Стюарт» Шиллера и «Лулу» Ведекинда.
В кино её снимали Жюль Дассен, Джозеф Лео Манкевич, Антониони, Феллини, Франсуа Трюффо, Джозеф Лоузи, Марио Моничелли, Стэнли Крамер, Терри Гиллиам и многие другие крупные режиссёры.
В 1950 сыграла роль княжны Таракановой в фильме «В тени орла», в 1962 — роль Элеоноры Дузе в фильме «Врач из Сан-Микеле». В 1974 году за роль в фильме «Американская ночь» она была номинирована на «Оскар» как лучшая актриса второго плана. В 1977 году Кортезе снялась в фильме Франко Дзеффирелли «Иисус из Назарета», где сыграла Иродиаду.