Родилась Мария Вальверде 24 марта 1987 года в Мадриде, в квартале Карабанчел (исп. Carabanchel) в творческой семье. Почти все её близкие родные связаны с искусством: отец Марии — художник; её мать — по профессии скульптор, но работает медсестрой; дедушка Марии — директор театра.
С детства Мария любила смотреть кинофильмы. Постоянно видя своих любимых актрис на экране, она тоже всегда мечтала стать актрисой и быть известной как они. Учёбу в школе и колледже Мария старалась совмещать с обучением театральному искусству. Это ей удавалось и уже в 10 лет она сыграла свою первую роль в спектакле.
Мечта Марии о карьере киноактрисы сбылась: в 2003 году в возрасте 16 лет она дебютировала в киноискусстве и впервые стала известна благодаря фильму "Слабость большевика" режиссёра Мануэла Мартина Куэнца. За свою главную роль в этом фильме наряду с Луисом Тосаром в 2004 году она получила премию Гойя как Лучшая молодая актриса.
В 2005 году Марию пригласили в Италию на съёмки фильма "Мелисса: интимный дневник". В этой киноленте, снятой Лукой Гуаданьино по популярному и скандальному роману молодой итальянской писательницы Мелиссы Панарелло "Сто прикосновений" (Дневник Мелиссы), она исполнила главную роль Мелиссы, подростка, начинающего свою сексуальную жизнь.
Ещё одной серьёзной работой актрисы стал фильм "Борджиа", снятый Антонио Хернандесом, в котором она исполнила роль Лукреции Борджиа.