Nata a Pola (oggi Croazia) nel 1921 da padre nobile trentino, professore di filosofia e critico musicale, e madre pianista (Silvia Obrekar) di origini slovene, Alida Maria Laura von Altenburger von Marckenstein und Frauenberg - meglio nota come Alida Valli -, trascorre l’infanzia sul lago di Como, ma dopo il liceo, si trasferisce a Roma, dove frequenta il Centro Sperimentale di Cinematografia.

Esordisce al cinema all’età di quindici anni in I due sergenti (1936) di Enrico Guazzoni e passa molto presto a ruoli importanti, come in Mille lire al mese (1939) di Max Neufeld e Ore 9: lezione di chimica (1941) di Mario Mattoli, il quale, negli anni seguenti, la dirigerà anche in Luce nelle tenebre (1941), Stasera niente di nuovo (1942) - dove canta la canzone “Ma l’amore no”, poi divenuta celebre - Catene invisibili (1942) e La vita ricomincia (1945).

Alida Valli è considerata una fra le grandi attrici del nostro cinema per la sua bellezza non comune, la presenza scenica, la versatilità che le ha permesso di passare da film con ruoli leggeri a performances di maggior spessore drammatico come Manon Lescaut (1940) di Carmine Gallone e Piccolo mondo antico (1941) di Mario Soldati, che la dirigerà anche in Eugenia Grandet (1947), tratto dal romanzo di Honoré de Balzac, con cui vince un Nastro d’Argento, ed in La mano dello straniero (1953), tratto dal romanzo omonimo di Graham Greene.

Dal ’43 alla fine della guerra rimane nascosta a Roma per non recitare in film di propaganda fascista.

Nel ’47 si trasferisce a Los Angeles su invito del produttore David O. Selznick, con il quale firma un contratto settennale; i film del suo periodo americano saranno Il caso Paradine (1947) di Alfred Hitchcock, di cui è ottima protagonista recitando con   Gregory Peck, Charles Laughton e Louis Jourdan, Il miracolo delle campane (1948) di Irving Pichel, con Frank Sinatra,  Il terzo uomo (1949) di Carol Reed, con soggetto di Graham Greene - che l’anno successivo scriverà anche l’omonimo romanzo -, con Joseph Cotten, Orson Welles e Trevor Howard, e La torre bianca (1950) di Ted Tetzlaff, Ormai ti amo (1950) di Robert Stevenson.

L’anno successivo abbandona gli Stati Uniti, non sopportando più le regole imposte dalla produzione.

Dopo il ritorno in Italia interpreta, per la regia di Gianni Franciolini, Ultimo incontro (1951) con Amedeo Nazzari e Jean-Pierre Aumont del secondo episodio di Siamo donne (1953), diretto da G. Franciolini.

Segue una lunga carriera durante la quale recita in un gran numero di film, incontrando sulla sua strada registi importanti, su tutti Luchino Visconti che la dirige, insieme a Farley Granger, in Senso (1954), in cui interpreta la contessa Livia Serpieri, cui seguono i drammatici La grande strada azzurra (1957) di Gillo Pontecorvo, tratto dal romanzo Squarciò di Franco Solinas ed interpretato da Yves Montand, e Il grido (1957) di Michelangelo Antonioni.

Recita anche per registi francesi come René Clement (La diga sul Pacifico - 1957-, tratto dal romanzo omonimo del 1950 di Marguerite Duras), Roger Vadim (Gli amanti del chiaro di luna -1958) e Claude Chabrol (Ofelia - 1963).

A partire dalla metà degli anni Sessanta lavora soprattutto in Italia, diretta da Pier Paolo Pasolini in Edipo re (1967), ispirato all’omonima tragedia di Sofocle ed interpretato da Silvana Mangano e Franco Citti, da Bernardo Bertolucci in Strategia del ragno (1970), Novecento (1976) e La luna (1979), da Valerio Zurlini (La prima notte di quiete - 1972 -, con Alain Delon, Lea Massari e Giancarlo Giannini) da Mario Bava in Lisa e il diavolo (1972), da Dario Argento in Suspiria (1977), da Giuseppe Bertolucci in Berlinguer ti voglio bene (1977), con Roberto Benigni al suo esordio cinematografico, Segreti segreti (1985), con Lina Sastri, Mariangela Melato e Stefania Sandrelli, Il dolce rumore della vita (1998) e L’amore probabilmente (2000), da George Pan Cosmatos in Cassandra Crossing (1976), con Richard Harris, Sophia Loren e Burt Lancaster, da Marco Tullio Giordana in La caduta degli angeli ribelli (1981) con cui vince il David di Donatello, da Margarethe von Trotta in Il lungo silenzio (1988).

Fra gli altri film ricordiamo Ballo al castello (1939), Assenza ingiustificata (1939), Taverna rossa (1940) e La prima donna che passa (1940), tutti diretti da Max Neufeld, I miracoli non si ripetono (1951) di Yves Allegret, Il ritorno di Arsenio Lupin (1959) di Yves Robert, Occhi senza volto (1960) di Georges Franju, L’inverno ti farà tornare (1961) di Henri Colpi, Il disordine (1962) di Franco Brusati, Un’orchidea rosso sangue (1975) di Patrice Chéreau, Indagine su un delitto perfetto (1978) di Giuseppe Rosati.

Attiva anche in teatro è stata interprete di La casa dei Rosmer (1956) di Henrik Ibsen, regia di Giancarlo Zagni, con Raoul Grassilli e Tino Buazzelli, Epitaffio per George Dillon (1966) di John Osborne e Anthont Creigton, regia di Fulvio Tolusso, con Renato De Carmine e Lina Volonghi, Uno sguardo dal ponte (1967) di Arthur Miller, regia di Raf Vallone, con R. Vallone e Delia Boccardo, Il dio Kurt (1969) di Alberto Moravia, regia di Antonio Calenda, con Gigi Proietti, Il gabbiano (1973) di Anton Čechov, regia di Fantasio Piccoli, con Carlo Simoni e Roldano Lupi, La città morta (1988) di Gabriele D’Annunzio (1988), regia di Aldo Trionfo.

Per la televisione è presente nei film tv I figli di Medea (1959) e Il consigliere imperiale (1974) di Sandro Bolchi, negli sceneggiati Il caso Maurizius (1961) e L’eredità della priora (1980), entrambi di Anton Giulio Majano, nelle miniserie tv Piccolo mondo antico (1983) di Salvatore Nocita, in cui è la marchesa Maironi (nel film del 1941 aveva interpretato la giovane Luisa Maironi) e Delitti privati (1993) di Sergio Martino.

Nel ’91 viene premiata con il David di Donatello alla Carriera e, sei anni dopo, con il Leone d’Oro.