Interprete sensibile ed eterogenea, la seducente Valentina respira l'essenza della Settima Arte grazie a una famiglia profondamente inserita nel settore: nipote del celebre Gino Cervi, la diva in ascesa è figlia del regista Tonino Cervi e della producer Marina Gefter.
Sebbene frequentasse assiduamente i set con papà, la piccola non aveva ambizioni cinematografiche: affascinata dai misteri che avvolgono il clero, la bimba vedeva il suo futuro tra le mura di un monastero.
Crescendo tuttavia cambia idea e, nell'estate dei suoi diciassette anni, comincia a lavorare come assistente alla produzione, per guadagnare qualche soldo. Poi, per ritrovare se stessa, inizia a recitare, adottando il metodo immedesimativo del maestro russo Stanislavskij.
Giunta al suo 20esimo compleanno, la fanciulla decide di documentarsi appieno sulle opere del nonno: tutte quelle splendide performance le erano, sino a quel momento, sconosciute.

Il debutto televisivo risale al 1986 nella pellicola Portami la Luna mentre, quello sul grande schermo, avviene dodici mesi più tardi nella commedia esistenziale di Francesca Archibugi, Mignon è partita. Nel 1996, la cineasta neozelandese Jane Campion dipinge la nostra stellina nel suo raffinato Ritratto di signora.
L'anno seguente è protagonista del biografico Artemisia - Passione estrema: la vita e le passioni della nota artista pisana, attraverso gli occhi di Agnès Merlet. Successivamente, Valentina incarna la giovane bolognese innamorata dell'amore ne La via degli angeli, viene rinchiusa con Rhys Ifans nell'Hotel di Mike Figgis e si cimenta nell'insopportabile Teresa ne L'anima gemella. Nel 2005, indossa i panni della sciagurata moglie di Stefano Accorsi in Provincia Meccanica.
Reduce dalle riprese di Miracle at St. Anna, film di Spike Lee che racconta l'eccidio di Sant'Anna di Stazzema nell'agosto del '44, l'attrice si cala nel difficile ruolo di Daniela Perrone, compagna del boss mafioso Tonio Perrone.
La Cervi adora la presenza scenica di Charlotte Gainsbourg, Guillame Depardieu, nonché le pellicole firmate da Neil Jordan, Marco Bellocchio e Jonathan Demme. Nel 2011 è tra i protagonisti della serie tv inglese Le inchieste dell'ispettore Zen e di quella italiana Distretto di Polizia; nello stesso anno ha un piccolo ruolo in Jane Eyre di Cary Fukunaga, e partecipa alla quinta stagione della serie statunitense True Blood, nel ruolo della vampira Salome Agrippa. Nel 2013 è nel film di Sergio Rubini Mi rifaccio vivo e nel 2016 la ritroviamo nell'esordio nel lungometraggio di Gianclaudio Cappai Senza lasciare traccia e poi nelle commedie Ho amici in paradiso di Fabrizio Maria Cortese e Lasciami per sempre (2017) di Simona Izzo.
Tra le più recenti interpretazioni troviamo Vivere (2019), Gli infedeli (2020) e La scuola cattolica (2021).
L'attrice ha due figli dal compagno, il regista Stefano Mordini.