Scoperto giovanissimo in mezzo al pubblico del Maurizio Costanzo Show, Valerio Mastandrea cresce professionalmente nel cinema indipendente e sui palcoscenici teatrali. Dopo aver lasciato l'università il giovane scrive una lettera a Maurizio Costanzo che subito lo trasforma in uno dei protagonisti più veri e ruspanti del suo celebre talk show televisivo.
Di lì a pochi anni inizia a frequentare il grande schermo grazie ad Angelo Orlando che lo inserisce nel cast dello stralunato L'anno prossimo vado a letto alle dieci e a Claudio Fragasso che gli affida il ruolo dello sfortunato poliziotto di Palermo Milano solo andata. Il pubblico accorre in sala per vedere all'opera il protagonista, Raoul Bova, ma l'interpretazione più sincera e sofferta è quella di Mastandrea.
Nel 1996 divide il set con Daniele Liotti nel cult a sorpresa Cresceranno i carciofi a Mimongo di Fulvio Ottaviano, nel quale interpreta il giovane "vitellone" romano Enzo. È il 1996 e Mastandrea si è ormai affermato come uno dei giovani interpreti più richiesti dai registi italiani. Nel 1998 torna a lavorare per Ottaviano nel flop Abbiamo fatto solo l'amore, e affianca Asia Argento nella briosa commedia Viola bacia tutti. In L'odore della notte è invece un poliziotto di stanza a Torino che però è anche a capo di una pericolosa gang criminale. Nello stesso periodo si misura con il ruolo romano per eccellenza, Rugantino, e con un suo celebre predecessore, Nino Manfredi. Sul palco insieme a Sabrina Ferilli, il giovane attore romano ottiene un grandissimo successo di critica e pubblico.
Il ritorno al cinema porta la firma di Daniele Vicari che lo dirige in Velocità massima (ruolo che gli vale il Premio Pasolini Pigneto come miglior attore e l'Annecy Cinema Italien). Seguono Gente di Roma di Ettore Scola, Il siero della vanità di Alex Infascelli, Lavorare con lentezza di Guido Chiesa.
Cinema e teatro evidentemente non bastano a questo giovane attore autodidatta: insieme all'amica Paola Cortellesi recita nell'irresistibile videoclip di La descrizione di un attimo dei Tiromancino. Appeso a una liana, Valerio reinterpreta un Tarzan sui generis per la gioia dei suoi molti fan.
Come se non bastasse, l'attore si cimenta anche nel mondo della serialità televisiva, partecipando alla surreale striscia Buttafuori dove, in coppia con Marco Giallini, interpreta uno stralunato addetto alla sicurezza di un locale.
Nel 2005 porta a teatro un monologo comico scritto e diretto da Mattia Torre e torna contemporaneamente sul grande schermo con L'orizzonte degli eventi, Nessun messaggio in segreteria, N (Io e Napoleone) e Last Minute Marocco. Mastandrea fa sfoggio della sua amabile vena comica nella commedia Notturno Bus, nella quale interpreta un autista di autobus la cui vita cambia radicalmente dopo l'incontro con una bella e spregiudicata truffatrice (un'inedita Giovanna Mezzogiorno).
Nell'apprezzato Non Pensarci di Gianni Zanasi elabora di nuovo il suo personaggio di quarantenne in crisi esistenziale (dal film è stata tratta anche a una serie tv andata in onda su Fox). Impersona un marito abbandonato da Isabella Ferrari nel melodrammatico Un giorno perfetto di Ferzan Özpetek, mentre è uno scrittore che ha perso l'ispirazione in Giulia non esce la sera di Giuseppe Piccioni.
Nel corale Tutta la vita davanti, torna a lavorare con Paolo Virzì per affrontare, con leggerezza e ironia, il tema del precariato. Il regista lo vorrà anche nel successivo La prima cosa bella, dove interpreta il figlio frustrato, ma indissolubilmente legato alla madre Stefania Sandrelli, aggiudicandosi il David di Donatello. Dopo aver ottenuto una partecipazione nel blockbuster musicale Nine di Rob Marshall, Mastandrea si è unito al cast balneare di Tutti al mare, esordio alla regia di Matteo Cerami, figlio del noto sceneggiatore Vincenzo.
2012 Premio Premio Francesco Pasinetti (SNGCI) - Miglior interpretazione per Gli equilibristi
2013 Premio Miglior attore protagonista per Gli equilibristi
2013 Premio Miglior attore non protagonista per Viva la libertà
2012 Candidatura Miglior attore protagonista per Romanzo di una strage
2010 Premio Miglior attore protagonista per La prima cosa bella
2009 Candidatura Miglior attore protagonista per Non pensarci
2007 Candidatura Miglior attore non protagonista per N (Io e Napoleone)
2013 Candidatura Attore protagonista per Viva la libertà
2010 Candidatura Miglior attore protagonista per Good Morning Aman
2008 Candidatura Miglior attore protagonista per Non pensarci
2023 Recitazione
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2023 Recitazione
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