Родилась 24 марта 1987 года в Мадриде в семье художника. Почти все близкие актрисы были творческими личностями: мама, хоть и работала медсестрой, по образованию была скульптором, а дедушка и вовсе руководил театром. Радужное детство омрачала только редкая болезнь – целиакия (непереносимость глютеиновой пищи). «Болезнь сделала меня более ответственным и дисциплинированным человеком», – говорила Вальверде. В детстве она часто проводила время за театральными кулисами у дедушки, рассматривала киноафиши на улицах Мадрида и мечтала стать актрисой. «Я пришла к этой профессии, потому что хочу, чтобы и через сто лет мое имя оставалось в памяти…оставило след в истории», – признается Мария. Одновременно с учебой в школе она посещала курсы драматического искусства и уже в 10 лет дебютировала на театральных подмостках. В 15 девушка впервые снялась в большом кино, и сразу – в главной роли. Мария сыграла школьницу, в которую влюбляется взрослый банкир, в испанской мелодраме Мануэля Мартина Куенка «Слабость большевика» (2003). Дебют оказался более чем успешным для начинающей актрисы: Вальверде удостоилась главной национальной награды Испании – премии Гойя в номинации «Лучшая актриса-дебютант».
После этого триумфа 17-летняя Вальверде снялась в испанском триллере «Вне тела» (2004) и в драме Vorvik (2005). В столь юном возрасте она уже была очень популярна в родной Испании, журналы включали ее в топ «Самых красивых актрис» страны, отдавая должное ее несовершенному, но притягательному лицу. В 18 лет Мария снялась в главной роли в испанско-итальянской драме «Мелисса: интимный дневник» режиссера Лука Гуаданьино по скандальному роману Мелиссы Панарелло, которая откровенно описывала свое сексуальное взросление. Актриса продемонстрировала превращение своей героини из девочки-нимфетки в женщину. «Роль Мелиссы изменила мою жизнь. Мне пришлось отказаться от привычных вещей. Это был огромный шаг вперед, шаг зрелого человека. Мне было невероятно трудно на съемках, потому что не хватало профессионализма и твердого характера. Но я сделала это. А все, что нас не убивает, делает нас сильнее», – признается Вальверде. Следующая роль испанки тоже была связана с темой сексуальной распущенности: в драме Антонио Хернандеза «Борджиа» (2006) Мария исполнила роль роковой Лукреции Борджиа, внебрачной дочери папы римского Александра VI, которой манипулировали, выдавая замуж за различных политиков.
В 2007 году вышли три испанских фильма с участием Вальверде: «Воры», «Царь горы» и «Человек из песка». В 2008-ом на экранах появилась драма «Жена анархиста», где героиня актрисы мечется в томительном многолетнем ожидании любимого. Вскоре после этой роли английская режиссер Джорджан Скотт, дочь Ридли Скотта, утвердила Марию в свою драму «Трещины» (2009). Фильм был снят по популярному одноименному роману Шейлы Кохлер. Вальверде исполнила роль молодой испанки, которая в 1930-ых годах попадает в английский женский интернат, где страдает от вероломства одноклассниц и преподавательницы (героини Евы Грин). Эта роль сделала актрису известной далеко за пределами родины, однако еще большую популярность она приобрела год спустя, снявшись в романтической мелодраме Фернандо Гонзалеза Молина «Три метра над уровнем неба» (2010). Ее любовный дуэт с Марио Касасом стал предметом восхищения миллионов поклонников по всему миру. Успешным стало и продолжение, лента «Три метра над уровнем неба: Я тебя хочу» (2012). С 2011 года Мария снимается в испанском сериале «Побег» в главной роли.
