Valentina Vargas comenzó su carrera en el arte dramático dentro del Taller de Tania Balachova en París y más tarde en la Escuela Yves Pignot en Los Ángeles. Su carrera cinematográfica comenzó con la filmación de tres cintas en el cine francés contemporáneo: Estrictamente personal (Strictly Personal), de Pierre Jolivet, El gran azul (Big Blue), de Luc Besson, y El nombre de la rosa, de Jean-Jacques Annaud. A lo largo de los años, Vargas también trabajó con Samuel Fuller en Calle sin retorno (Street of No Return), con Miguel Littín en Los náufragos y Alfredo Arias en Fuegos.

Valentina Vargas habla perfectamente español, francés e inglés. Esto le facilitó participar en películas tan variadas como la película de terror cinematográfica Hellraiser: Bloodline y la comedia Chili con carne, de Thomas Gilou. Apareció junto a Jan-Michael Vincent en Dirty Games, con Malcolm McDowell y Michael Ironside en Cruz sureña (Southern Cross), y con James Remar en la película alemana The Tigress.

Después de su actuación en Bloody Mallory, donde interpretó a "la maliciosa", recurrió a papeles para la televisión. Inicialmente participó en una versión de la miniserie franco-anglo-canadiense para TV llamada Les Liaisons dangereuses, dirigida por Josée Dayan, protagonizando esta producción con Catherine Deneuve, Rupert Everett, Leelee Sobieski y Nastassja Kinski.

Más adelante trabajó en proyectos como Ilusiones ópticas, del director Cristián Jiménez, actuando junto a Paola Lattus y Eduardo Paxeco; El rostro del asesino (Faces in the Crowd), dirigida por Julien Magnat, protagonizada junto a Milla Jovovich y Julian McMahon; y La noche de enfrente (Night Across the Street), dirigida por Raul Ruíz, y compartiendo papel con el actor Christian Vadim.

• La belle-mère, o La Madrastra (1978)
• Strictement personnel (1985) - Le masseuse (La masajista)
• Le flair du petit docteur (1986) (TV Episode) - Campesina mendiga
• El nombre de la rosa (1986)
• Fuegos (1987) - Margarita
• Piazza Navona (1988) (TV) - Perla
• El gran azul (1988) - Bonita
• Dirty Games (1989) - Nicola Kendra
• Street of No Return, o Calle sin Retorno (1989) - Celia
• The Tigress (1992) - Pauline
• El aliento del diablo (1993)
• Twin Sitters (1994) - Lolita
• Los Náufragos (Chile, 1994) - Isol
• Hellraiser: Bloodline (1996) - Angelique
• Southern Cross (1999) - Mariana Flores
• Air America (1999) (TV) - Celia
• Chili con carne (1999) - Inés
• Bloody Mallory (2002) - Lady Valentine
• L'Été de Chloé (2002) (TV) - Agnès
• Un homme en colère (2002) (TV) - Laura
• Dangerous Liaisons (2003) (TV) - Emilie
• Le Caprice des cigognes (2006) (TV) - Anna
• Fête de famille (2006) - Mónica
• Héroes (Chile, 2007) (TV) - Sofía Linares
• All Inclusive, o Todo Incluido, (2008) - Carmen
• Mea culpa (Chile, 2008) (TV)
• Ilusiones ópticas (Chile, 2009) - Rita
• Faces in the Crowd (El rostro del asesino) (2011) - Nina
• La Noche de Enfrente, o Night Across the Street (2012) - Nigilda
• Johnny 100 pesos: Capítulo 2 (Chile, 2017) - María Francisca

En solitario

• Tiger in a Dress (1992)
• Bit of Sun (2016)
• Canto a los Cuatro Vientos (2018)

• Valentina Vargas en Internet Movie Database (en inglés).