Народилася Марія Вальверде 24 березня 1987 в Мадриді, в районі Карабанчель (ісп. Carabanchel), у творчій родині. Майже всі її рідні пов'язані з мистецтвом: батько Марії — художник, її мати — за професією скульпторка, працює медсестрою; дідусь — директор театру.
З дитинства Марія любила дивитися кінофільми. Постійно бачачи улюблених акторок на екрані, вона теж завжди мріяла стати акторкою і бути відомою. Навчання в школі і коледжі Марія намагалася поєднувати з навчанням театральному мистецтву. Це їй вдавалося, і вже в 10 років вона зіграла першу роль у виставі.
У 2003 році у віці 16 років вона дебютувала в кіномистецтві і вперше стала відома завдяки фільму Слабкість більшовика режисера Мануела Мартіна Куенца. За головну роль у цьому фільмі поряд із Луїсом Тосар у 2004 році вона отримала премію Гойя як Найкраща молода акторка. Потім виконала ролі ще у двох іспанських картинах — «Vorvik» і «Поза тілом».
У 2005 році запрошена до Італії на зйомки фільму Меліса: інтимний щоденник. У цій кінострічці Луки Гуаданьіно за скандальним романом молодої італійської письменниці Мелісси Панарелло Сто дотиків (Щоденник Мелісси), вона виконала головну роль підлітки, яка починає своє сексуальне життя.
Ще однією серйозною роботою Вальверде став фільм «Борджіа», знятий Антоніо Ернандесом, в якому вона виконала роль Лукреції Борджіа.