Esordendo giovanissima sul grande schermo, diventò presto la diva simbolo del cosiddetto "cinema dei telefoni bianchi", lavorando in film come "Manon Lescaut" (1939) e "Ore 9 lezione di chimica" (1941). La sua versatilità la impose anche in ruoli drammatici, come quello di Luisa in "Piccolo mondo antico" di Mario Soldati (1941). A differenza di molti suoi colleghi, nell'autunno del 1943 la Valli, per evitare di recitare in film di propaganda fascista, rifiutò di trasferirsi negli studi cinematografici del fascismo repubblichino (il "Cinevillaggio" di Venezia) e rimase a Roma dove si nascose da qualche amico. L'anno successivo sposò l'artista e compositore Oscar De Mejo e nel gennaio 1945 ebbe il suo primogenito Carlo. 

Tornò davanti alla macchina da presa nel 1957 diretta da Michelangelo Antonioni in "Il grido". La sua fama si consolida sotto la direzione di registi come Gillo Pontecorvo ("La grande strada azzurra", 1957) e Pier Paolo Pasolini ("Edipo re", 1967), mentre negli anni settanta lavora con Valerio Zurlini ne "La prima notte di quiete" (1972) accanto ad Alain Delon; con Mario Bava ne "La casa dell'esorcismo" (1975) e con Bernardo Bertolucci in "La strategia del ragno" (1970) e nel kolossal "Novecento" (1976). Dario Argento le affidò due ruoli inquietanti in "Suspiria" (1977) e "Inferno" (1980). Dopo aver vinto il Leone d'oro alla carriera al festival di Venezia nel 1997, trascorse gli ultimi anni della sua vita in povertà. 

Sabato 31 maggio, nel giorno del suo compleanno, l'associazione che porta il suo nome fondata dal figlio Carlo De Mejo e dal nipote Pierpaolo De Mejo, ha organizzato al cinema Trevi di Roma una giornata per celebrarla. A cominciare dalla proiezione del film "Stasera niente di nuovo" (1942) di Mario Mattoli, per proseguire con una tavola rotonda, alla quale hanno partecipato - oltre al figlio e al nipote - Luca Verdone, Carlo Lizzani, Gian Luigi Rondi, Alberto De Martino, Maurizio Ponzi, Marisa Solinas, Robert Madison e Alfredo Baldi. E per finire è stato proiettato il documentario del nipote Pierpaolo De Mejo "Come diventai Alida Valli", tra foto, filmati e testimonianze.