Bien que née en France, Valérie Mairesse passe le plus clair de son enfance dans le ciné-club de son père à Casablanca. Elle commence par travailler à la régie pour la troupe du Splendid, grâce à laquelle elle aura ensuite son premier rôle sur les planches. 

C'est en 1977 que le cinéma lui offre son premier grand rôle dans L'Une chante, l'autre pas d'Agnès Varda. Les tournages s'enchaînent pour elle, et en 1978 elle est nommée au César de la Meilleure actrice dans un second rôle pour le long métrage de Michel Soutter, Repérages. 

Mais la renommée populaire arrive réellement en 1983 avec son rôle d'Isabelle Morizet dans Banzaï de Claude Zidi, où elle tient le haut de l'affiche aux côtés de Coluche. 

Parallèlement, la comédienne continue à se représenter dans de nombreuses pièces de théâtre. 

Côté cinéma, elle retrouve la troupe du Splendid pour la comédie déjantée Les Secrets professionnels du Dr Apfelglück (1991), tourne sous la direction de Jean-Pierre Mocky dans Ville à vendre (1991). Elle intègre le casting prestigieux d'Un Crime au paradis (2000), campe un petit rôle dans Après la vie (2001) et dans Un couple épatant (2001). 

Valérie Mairesse conjugue projets cinématographiques, télévisuels et théâtraux. On a notamment pu la retrouver au cinéma dans Michou d’Auber (2005), Enfin veuve (2007) et Brèves de comptoir (2014) ou À deux heures de Paris (2017).

Inspirant également des metteurs en scène comme Olivier Macé avec qui elle tourne la pièce de Brigitte Massiot Ça reste entre nous (2020) et des cinéastes comme Christian Monnier pour Ça tourne à Saint-Pierre-et-Miquelon (2022) au côté de Philippe Rebbot. Fidèle aux planches et plusieurs fois nommée aux Molière, Valérie joue sous la direction de Josiane Balasko, Jérôme Savary, Lionnel Astier ou Nicolas Briançon. En 2022, elle crée au Théâtre des Bouffes Parisiens, sous la direction de Jean-Luc Moreau et en compagnie de Jeanfi Janssen et Thierry Plaza, la pièce Un couple magique, écrite par Laurent Ruquier, avec qui elle partage depuis 2016 l’émission des Grosses Têtes sur RTL. 

Enfin, Valérie sera prochainement à l’affiche du prochain film de Frédéric Quiring, Doux Jésus, dont la sortie est prévue au printemps 2025 et fut à cette occasion la marraine de la 25ème édition du « Dinard Comedy Festival ».