При рождении получила имя Алла[3]. Увлекшись кинематографом, написала письмо Сталину с просьбой отправить на учебу и получила приглашение в школу Мосфильма. В 1940 году Валентина Караваева окончила актёрскую школу при киностудии «Мосфильм», мастерская Ю. Я. Райзмана. Он взял её на главную роль в своем фильме «Машенька». После выхода фильма, в 1943 году, вся съёмочная группа получила Сталинскую премию второй степени, и Караваева в 21 год стала самым молодым её лауреатом. В 1944 году по пути на съёмки нового фильма Юлия Райзмана «Небо Москвы» Караваева попала в автокатастрофу — автомобиль на скорости столкнулся с трамваем. Водитель погиб, а у Валентины Караваевой остался ужасный шрам, протянувшийся от уха до подбородка. Её лицо осталось изуродовано, и это отлучило её от возможности сниматься в кино, за исключением эпизодов. В 1944—1945 годах — актриса театра им. Моссовета. В 1945—1950 годах, будучи замужем за английским атташе Джорджем Чапменом, жила в Великобритании и Швейцарии, организовала театр при русской общине в Женеве, где играла и ставила спектакли. В 1950—1951 — после неудачной пластической операции в Швейцарии развелась с мужем и вернулась в СССР, где ей предложили работу только в провинциальном драматическом театре на её родине, в городе Вышний Волочёк. В 1951—1953 годах — актриса Московского театра им. А. С. Пушкина. В 1954—1957 — актриса Театра-студии киноактёра. С 1957 года актриса киностудии им. М.Горького. В 1957 году сыграла в эпизодической роли в экранизации повести Николая Атарова «Повесть о первой любви» (режиссёр Василий Левин), в титрах фильма указана как В. Караваев. Затем лишь через шесть лет в 1964 году Эраст Гарин пригласил Караваеву на съёмки экранизации пьесы Евгения Шварца «Обыкновенное чудо», в которой актриса ярко сыграла острохарактерную роль Эмилии. Последнее появление актрисы на экране состоялось в 1968 году — в эпизоде фильма Моисея Калика «Любить…». Работала над дубляжом кинокартин. Караваева дублировала роли актрис Бетт Дейвис («Всё о Еве»), Марлен Дитрих («Свидетель обвинения»), Грета Гарбо («Анна Каренина»), Арлетти («Дети райка»), Ингрид Бергман («Осенняя соната»). Последние годы актриса вела буквально нищенское существование. Иногда удавалось поработать на дубляже, что-то платили из жалости в Театре киноактёра. Режиссёры не приглашали сниматься — и тогда она сама стала снимать кино. Двадцать два года Караваева играла перед любительской кинокамерой, звук записывала на допотопный катушечный магнитофон. Для роли Нины Заречной в «Чайке» она сделала себе чайку — птицу из проволоки, бумаги и перьев. В 2000 году режиссёр Георгий Параджанов снял документальный 36-минутный фильм «„Я — Чайка“. Тайна жизни актрисы Караваевой», в котором использовал эти плёнки. Точная дата смерти неизвестна. Тревогу забили соседи, когда в доме прорвало трубу. Валентина Караваева похоронена на Хованском кладбище Москвы (надпись на могиле «Чапмен-Караваева Валентина Ивановна 21.05.1921 — 12.01.1998 гг. Незабвенная Машенька»). Караваева — прототип главной героини романа Юрия Буйды «Синяя кровь» (2011), актрисы по имени Ида Змойро. В романе воспроизведены многие подробности жизни Караваевой (съёмки в киноленте «Машенька», Сталинская премия, автокатастрофа и шрам, замужество за английским дипломатом, работа в дубляже, самодельные фильмы).