Ο Βαλερύ γεννήθηκε από Κορσικανό πατέρα και Γενοβέζα μητέρα στο Σετ (Sète), μια κωμόπολη στην ακτή της Μεσογείου, στον Νομό Ερό, αλλά μεγάλωσε στο Μονπελιέ. Μετά από μία παραδοσιακή ρωμαιοκαθολική εκπαίδευση, σπούδασε νομικά στο Πανεπιστήμιο του Μονπελιέ και στη συνέχεια εγκαταστάθηκε στο Παρίσι, όπου και πέρασε το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του.

Ο Βαλερύ αφοσιώθηκε στη συγγραφή ως κύρια απασχόλησή του κάπως αργά στη ζωή του (σχεδόν 50 ετών), όταν ο επιχειρηματίας του οποίου ήταν γραμματέας επί εικοσαετία, ο Édouard Lebey, πέθανε από τη Νόσο του Πάρκινσον το 1920. Μέχρι τότε ο Βαλερύ είχε επίσης εργασθεί για λίγο ως υπάλληλος του Υπουργείου Πολέμου. Για ένα διάστημα ήταν μέλος του κύκλου του ποιητή Στεφάν Μαλαρμέ.

Μετά την εκλογή του στη Γαλλική Ακαδημία το 1925, ο Valéry άρχισε να γίνεται γνωστός ως διανοούμενος στη γαλλική κοινωνία. Γύριζε ακούραστα στην Ευρώπη δίνοντας διαλέξεις επί πολιτιστικών και κοινωνικών θεμάτων, ενώ αργότερα ανέλαβε και κάποιες επίσημες ιδιότητες: αντιπροσώπευσε τη Γαλλία σε πολιτιστικά ζητήματα στην Κοινωνία των Εθνών, υπηρετώντας σε αρκετές επιτροπές του οργανισμού αυτού. Μια δωδεκάδα δοκίμιά του που μεταφράσθηκαν στα αγγλικά με τον τίτλο The Outlook for Intelligence (1989) προέκυψαν από αυτές του τις δραστηριότητες.

Το 1931 ο Βαλερύ ίδρυσε το Collège Internationale de Cannes (Διεθνές Κολέγιο των Καννών), ένα ιδιωτικό ίδρυμα για τη διδασκαλία της γαλλικής γλώσσας και πολιτισμού. Το Κολέγιο αυτό λειτουργεί μέχρι σήμερα, προσφέροντας επαγγελματικά μαθήματα σε Γάλλους και μαθήματα γαλλικών για ξενόγλωσσους φοιτητές.

Ο Βαλερύ επιλέχθηκε για να δώσει τον εναρκτήριο λόγο στον εθνικό εορτασμό το 1932 από τους Γερμανούς της εκατοστής επετείου του θανάτου του Γκαίτε. Αυτή ήταν μια ταιριαστή επιλογή, καθώς ο Valéry μοιραζόταν με τον Γκαίτε το ίδιο έντονο ενδιαφέρον για την Επιστήμη (ιδίως τη Βιολογία και τη θεωρία του φωτός).

Εκτός από μέλος της Γαλλικής Ακαδημίας ο Βαλερύ ήταν και μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της Λισαβώνας και του Front national des Écrivains (= «Εθνικού Μετώπου Συγγραφέων»). Το 1937 διορίσθηκε διευθυντικό στέλεχος στο μετέπειτα Πανεπιστήμιο της Νίκαιας, ενώ ήταν ο πρώτος χρονικά κάτοχος της `Εδρας της Ποιητικής στο Κολέγιο της Γαλλίας.

Κατά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, η Κυβέρνηση του Βισύ τον απεμάκρυνε από κάποιες από αυτές τις θέσεις και αξιώματα εξαιτίας της ήρεμης αρνήσεώς του να συνεργασθεί με αυτή και τις γερμανικές κατοχικές δυνάμεις, αλλά ο Valéry συνέχισε σε όλη τη διάρκεια της κατοχής να εκδίδει κείμενά του και να αναπτύσσει δραστηριότητα στη γαλλική πολιτιστική ζωή, ιδιαίτερα ως μέλος της Γαλλικής Ακαδημίας.

Το 1900 ο Πωλ Βαλερύ πήρε ως σύζυγό του τη Jeannie Gobillard, μια φίλη της οικογένειας Μαλαρμέ, που ήταν και ανεψιά της ζωγράφου Berthe Morisot. Ο γάμος ήταν μια διπλή τελετή κατά την οποία ταυτόχρονα η κόρη της Morisot, η Julie Manet, παντρεύτηκε τον ζωγράφο Ernest Rouart. Ο Βαλερύ και η Γκομπιγιάρ απέκτησαν τρία παιδιά: τον Κλωντ, την Αγάθη και τον Φρανσουά.

Ο Βαλερύ πέθανε στο Παρίσι αλλά τάφηκε στο κοιμητήριο της γενέτειράς του Sète, το ίδιο κοιμητήριο που ενέπνευσε ένα από τα γνωστότερα ποιήματά του, το le Cimetière marin («Θαλασσινό κοιμητήρι»).