Montpellier-ben folytatott jogi tanulmányokat, 1892-ben diplomázott. Egyetemista évei alatt lett barátja André Gide, s ekkor került kapcsolatba a példaképének tartott Mallarméval is, akinek irodalmi szalonját 1891-től látogatta.

Szimbolista verseit több lap is közölte, de 21 éves korában hátat fordított az érzelmi költészetnek. Valéry a "tudatos tudat" gondolkodójává kívánt válni, hogy énje, ösztönei, neveltetése, irodalmi ízlése ne befolyásolják a világ szerkezetének személytelenül intellektuális vizsgálatában.

E törekvésében könyvei javát eladta, hajnalban kelt és órákon át a tudomány módszerein, az emberi tudat működésén és a nyelv természetén elmélkedett, így született meg Füzetek című műve.

1897-től húsz éven keresztül egyáltalán nem írt verset, viszont megírta két legfontosabb prózai munkáját: a Nouvelle Revue Francaise-nek írott Bevezetés Leonardo da Vinci módszerébe című tanulmányát, és az Egy este Teste úrral című karakterelemzését.

A költői hallgatás évei alatt átlagéletet élt, dolgozott s közben végezte mindennapos intellektuális gyakorlatait.

1897-től a hadügyminisztérium tisztviselője volt, majd 1900-től az Agence Havas hírügynökség elnökének lett személyi titkára. 1912-ben Gide sürgetésére hozzáfogott korábbi verseinek átdolgozásához és összerendezéséhez, s írni kezdte egyik leghosszabb és legbonyolultabb versét, Az ifjú Párkát, amelynek 1917-es megjelenése után a legnagyobb élő francia költőnek kiáltották ki.

Hírnevét csak megerősítették Régi versek albuma és Varázslatok című kötetei.

Az 1920-as évek elejétől Valéry Európa-szerte elismert szellemi tekintély lett, 1924-ben a Nemzetközi PEN Klub elnökévé, 1925-ben a Francia Akadémia tagjává választották.

Sokfelé utazott, 1936-ban Budapesten is járt. 1935-ben az Európai Szellemi Együttműködési Bizottság elnökévé választották, 1937-ben pedig a College de France-on, a párizsi szabadegyetemen elnyerte a költészettan professzora címet. A második világháború idején, a német megszálláskor a szellemi ellenállás egyik vezéralakja volt.

Élete utolsó éveiben főként esszéket írt a legkülönbözőbb témakörökről, filozófiatörténetről, természettudományokról, s a politikáról is véleményt nyilvánított. A háború végén, Párizs felszabadulásakor ő is részt vett az ünnepi felvonuláson, de a béke időszakát már nem sokáig élvezhette. 1945. július 20-án meghalt, állami dísztemetést kapott.

Magyarországon először Gyergyai Albert a Nyugatban megjelent tanulmánya hívta fel rá a figyelmet, majd Kosztolányi Dezső fordításai tették még ismertebbé. Az 1940-es évektől Somlyó György foglalkozott munkásságával, fordításokkal és műhelytanulmányokkal értelmezve művészetét.