Estudió en la escuela de la Lonja de Barcelona, donde recibió clases del escultor Damià Campeny. En 1856 fue nombrado profesor de dicha escuela. Se ha resaltado su importante labor como docente, teniendo discípulos que muchos de ellos lograron grandes éxitos como escultores, entre ellos cabe destacar a Josep Llimona, Pablo Gargallo y Eusebi Arnau. Ha sido considerado un autor adelantado a su tiempo y de hecho en más de una ocasión chocó con los cánones del arte «oficial».^[2]​

Su vida y trabajo está muy ligada a la de su hermano Agapito Vallmitjana, también escultor, y de hecho los dos firmaban «V. y A.» todas sus obras.^[2]​ Ello ha implicado que posteriormente sea muy difícil distinguir el trabajo de cada uno.^[3]​ Mantuvo con su hermano un taller en común, hasta que en 1883 abrió un nuevo taller con su hijo, también escultor, Agapito Vallmitjana Abarca. Vinculado a la Corte —la reina Isabel II visitó el taller de los hermanos en Barcelona en 1860 y un año después presentaron su trabajo en el Palacio Real de Madrid—^[4]​ y a la estética purista con influencias renacentistas, cultivada en mayor medida por su hermano Agapito, Venancio se abrió a la influencia francesa, más monumentalista, y en 1873 viajó a París.^[5]​

Falleció en Barcelona en 1919.

• 1861- Segunda medalla en la Exposición Nacional de Madrid.
• 1873- Segundo premio Le Figaro en París.
• 1890- Primera medalla en la Exposición Nacional de Madrid.

• Cargador de Bilbao. Museo de Bellas Artes de Bilbao.
• 1862. Santa Isabel de Hungría (con la colaboración de su hermano Agapito). Museo del Prado. Grupo en mármol regalado por los hermanos a la reina Isabel II que les asignó una pensión de dos mil reales mensuales durante el tiempo que tardasen en su ejecución tras haber conocido y dado su aprobación al boceto en palacio.^[6]​
• 1880. Busto de Jesús de Monasterio. Academia de San Fernando, Madrid.
• 1882. Proyecto para la Venus de la Cascada del Parque de la Ciudadela. La escultura fue realizada por Eduard B. Alentorn.
• 1884. Fauno.
• 1884. Alegoría del Comercio y la Industria. Entrada al Parque de la Ciudadela Barcelona.
• 1884. La escultura original de la obra A López y López, que fue destruida en su totalidad en 1936.
• 1887. La belleza dominando la fuerza. Museo del Prado. Madrid.
• 1887. Virgen esmaltada. Museo Nacional de Arte de Cataluña.
• 1889. La reina María Cristina de Habsburgo-Lorena con Alfonso XIII. Museo Marítimo de Barcelona.
• 1890-1896. Majo y Maja. Museo Nacional del Prado
• 1891. La reina María Cristina y Alfonso XIII niño. Museo del Prado.
• 1899. Cristo para el Cuarto Misterio de Dolor del Rosario Monumental de Montserrat.
• 1900. La Asunción de la Virgen María. Cuarto Misterio de Gloria del Rosario Monumental de Montserrat.
• 1902. La Visitación de María a su prima Isabel. Segundo Misterio de Gozo del Rosario Monumental de Montserrat.
• 1903. Busto de Mozart.
• 1913. Fuente de Diana. Monumento emplazado en la Gran Vía de Barcelona.
• Panteón Joan Niqui, en el cementerio de Pueblo Nuevo de Barcelona.

• Retrato de Evaristo Arnús

• Azcue Brea, Leticia, «La melancolía de Roma: la escultura religiosa académica en la Corte alfonsina. Ecos puristas en la obra de Martín Riesco, los hermanos Vallmitjana o Samsó», en Alejandro Cañestro (coord.), Svmma Stvdiorum Scvlptoricae, In memoriam Dr. Lorenzo Hernández Guardiola, Alicante, Instituto alicantino de Cultura y Diputación de Alicante, 2019, pp. 59-104.
• Avelí Artis, Andreu (1971). Retratos de Ramón Casas. Polígrafa. 
• García Melero, José Enrique (1998). Arte español de la Ilustración y del siglo XIX. En torno a la imagen del pasado. Madrid: Ediciones Encuentro. 

Bibliografía adicional

• Josefina Alix Trueba (1985). Escultura Española 1900/1936. Madrid, Ediciones El Viso. ISBN 84 7483 412 O. 
• Tomo 20 (2004). La Gran Enciclopèdia en català (en catalán). Barcelona, Edicions 62. ISBN 84-297-5448-2. 
• Leticia Azcue Brea (2009), “Escultores catalanes del siglo XIX en el Museo del Prado”, Boletín del MNAC nº 10, Barcelona, 2009, pp. 111-139.[1]
• Leticia Azcue Brea (2019), “La melancolía de Roma: la escultura religiosa académica en la Corte alfonsina. Ecos puristas en la obra de Martín Riesco, los hermanos Vallmitjana o Samsó”, en Alejandro Cañestro (Coord.), Svmma Stvdiorum Scvlptoricae, In memoriam Dr. Lorenzo Hernández Guardiola, II Congreso Internacional de Escultura Religiosa, Crevillent, 25 al 28 de octubre de 2018, Instituto alicantino de Cultura y Diputación de Alicante, 2019, pp. 59-104. [2]

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