Il étudie le cinéma au Collège Ahuntsic et à l'université de Montréal.
Il réalise Liste noire en 1995. Ce film a suffisamment de succès au Québec pour retenir l'attention des studios d'Hollywood. En conséquence, Vallée reçoit des offres de réalisation qui le maintiennent une dizaine d'années en Californie.
À partir de 1995, il s'attache à réaliser C.R.A.Z.Y. Après dix années d'efforts, le film connaît un succès de salle au Québec et gagne plusieurs prix dont neuf prix Génie et quatorze prix Jutra. {{refnec}}.
En 2009, il réalise le long métrage britannique produit par Martin Scorsese Victoria : Les Jeunes Années d'une reine, qui relate de façon romancée la jeunesse de la reine Victoria du Royaume-Uni. Le film est nominé aux Oscars du cinéma.
En 2013, il réalise aux États-Unis Dallas Buyers Club, nommé à l'Oscar du meilleur film l'année suivante. Ce film obtient trois Oscars du cinéma dans les catégories de meilleur acteur, meilleur acteur dans un second rôle, et maquillage.
En 2014, il réalise le film Wild, avec notamment Reese Witherspoon.
Il prévoit également un biopic sur Janis Joplin, dont il devrait entamer la réalisation dans la seconde moitié de l'année 2015.