Durante sus estudios de preparatoria en idiomas extranjeros, Valeria Bilello hizo su debut en el mundo del espectáculo comenzando a modelar y filmar comerciales. Después de sus estudios de cine en Milán, en 2006 filmó el cortometraje Attesa. En 2008 comenzó su carrera como actriz, participando en la película Giovanna's Father, dirigida por Pupi Avati y presentada en el Festival de Cine de Venecia. Después, el ganador del Premio de la Academia Gabriele Salvatores la eligió para la película Happy Family (2010). Bilello fue la única actriz italiana en Mi gran oportunidad (2013) de David Frankel, que narra la verdadera historia de Paul Potts, que se convirtió en un fenómeno después de ser elegido y finalmente ganador de Britain's Got Talent. En 2017 fue elegida para interpretar el papel recurrente de Lila Facchini en la segunda temporada de Sense 8 de Netflix. En 2020, Bilello tiene un papel principal en la serie Curon de Netflix.