Мария Вальверде родилась 24 марта 1987 года в Мадриде, в районе Карабанчель[es], в творческой семье. Почти все её близкие родные связаны с искусством: отец — художник; мать — по профессии скульптор, но работает медсестрой; дедушка — директор театра.
С детства Мария любила смотреть фильмы. Постоянно видя своих любимых актрис на экране, она тоже всегда мечтала стать актрисой и быть известной как они. Учёбу в школе и колледже Мария старалась совмещать с обучением театральному искусству.
Это ей удавалось и уже в 10 лет она сыграла свою первую роль в спектакле.Мечта Марии о карьере киноактрисы сбылась: в 2003 году в возрасте 16 лет она дебютировала и впервые стала известна благодаря фильму «Слабость большевика» режиссёра Мануэля Мартина Куэнки. За свою главную роль в этом фильме наряду с Луисом Тосаром в 2004 году она получила премию Гойя как лучшая молодая актриса. Затем последовали роли ещё в двух испанских картинах — «Vorvik» и «Вне тела» .
В 2005 году Марию пригласили в Италию на съёмки фильма «Мелисса: интимный дневник» .
В этой киноленте, снятой Лукой Гуаданьино по популярному и скандальному роману молодой итальянской писательницы Мелиссы Панарелло «Сто прикосновений (Дневник Мелиссы)» , она исполнила главную роль, Мелиссы, подростка, начинающего свою сексуальную жизнь.Ещё одной серьёзной работой актрисы стал фильм «Борджиа» , снятый Антонио Эрнандесом, в котором она исполнила роль Лукреции Борджиа.Встречалась с Марио Касасом, но в сентябре 2014 года стало известно, что пара рассталась.