MARIA VALVERDE è nata a Madrid. Ha iniziato a recitare nel 2002, quando il regista Manuel Martin Cuenca l'ha scelta tra 3000 ragazze per il ruolo di protagonista ne "La flaqueza del bolchevique" (The Bolshevik's Weakness). Un anno più tardi, il lavoro di Maria ha colpito in ugual misura il pubblico e l'Academia de las Artes y las Ciencias Cinematográficas, che le ha conferito il Goya come migliore esordiente.
Da allora, Maria ha recitato in numerosi film, tra cui "Fuera del Cuerpo", diretto da Vicente Peñarroche, e "Vorvik" di Jose Antonio Vitoria. Nel 2006 ha fatto il suo ingresso nel cinema internazionale con "Melissa P.", tratto dal romanzo bestseller internazionale, del regista italiano Luca Guadagnino. In seguito, ha ottenuto un ruolo di primo piano ne "I Borgia" (The Borgias) per la regia di Antonio Hernandez, in "Thieves" di Jaime Marques, in "Piccolo, grande Aaron" (King of the Hill) del regista Gonzalo Lopez Gallego, e nel film franco-ispano-tedesco "The Anarchist's Wife" per la regia di Marie Noëlle e Peter Sehr.
È del 2008 il suo primo film in inglese, "Cracks", diretto da Jordan Scott, in cui interpreta un ruolo di primo piano al fianco di Eva Green. Di ritorno in Spagna, dopo avere preso parte a "The Mule" del regista Michael Radford, è stata scelta per il ruolo di protagonista in "Tres metros sobre el cielo" (Three Steps Above Heaven), per la regia di Fernando Gonzalez Molina, che è stato il maggiore successo dell'anno in Spagna. Nel 2011 ha recitato nell'acclamato "Madrid 1987" di David Trueba, al fianco di Jose Sacristan. Lo stesso anno ha esordito sul piccolo schermo ne "La Fuga".
Dopo di ciò, ha preso parte a "I Want You", sequel di "Tres metros sobre el cielo", e a "Broken Horses" di Vidhu Chopra a Los Angeles.
Lo scorso anno ha ultimato le riprese del film ispano-venezuelano "Libertador" del regista Alberto Arvelo, di "Cold Call" con Nick Nolte e del film messicano "La Carga", per la regia di Alan Jonsson.
L'attrice ha vinto numerosi premi: migliore attrice per "Cold Call" al Festival de Cine de Santiago; migliore attrice per "Thieves" al Festival Internacional de Cine Mediterráneo de Tetuán; migliore attrice per "Piccolo, grande Aaron" (King of the Hill) al California Screamfest. È anche stata nominata migliore attrice cinematografica nel 2012 e nel 2007, rispettivamente dalle riviste Cosmopolitan e Glamour.