Nace en Linares, en un ambiente de campo, en el año 1852. Siendo muy pequeño la familia se traslada a Talca para que el niño pudiera seguir sus estudios. Más tarde se trasladan a Santiago, donde Valentín ingresa al Instituto Nacional. Luego, pasa a la Universidad de Chile donde se gradúa de abogado.
Una vez egresado de su carrera se va a Copiapó; allí asume como profesor de Filosofía en el principal colegio de la ciudad y en la Escuela de Minas, dando inicio a su labor como pensador y reformador. Y en esa misma ciudad, ingresa a la masonería, muy probablemente a la logia Orden y Libertad N° 3. También es posible que hubiera frecuentado la logia Hiram de Copiapó, que existía entonces y era dependiente de la Gran Logia de Massachusetts, pues se conserva de él un mandil que corresponde más bien a la masonería inglesa o norteamericana. También por esos años ingresa al Partido Radical.
Cuando regresa a Santiago en 1878 fue designado diputado por la zona en la cual había nacido. En esa época Letelier se dedica al periodismo, promoviendo las ideas liberales en el ámbito de la educación.
En 1881 es designado por el gobierno como secretario de la embajada chilena en Alemania. En ese país, Letelier se dedica a estudiar el sistema educacional con la idea de traerlo a Chile. De regreso al país, participa en la fundación del Instituto Pedagógico de la Universidad de Chile. Fundación que se concreta en 1889. Anteriormente, la formación en cada materia la daban profesionales universitarios de las respectivas disciplinas, por ejemplo, médicos, abogados, ingenieros, etc. También en esta época, Letelier impulsa la reforma de la Escuela de Minas de Copiapó.
Valentín Letelier fue opositor activo del gobierno de José Manuel Balmaceda Fernández, por lo mismo, debió marcharse a Iquique. Solo cuando cayó el gobierno, pudo regresar a Santiago. En la capital siguió trabajando como profesor de la Escuela de Derecho de la Universidad de Chile hasta que en 1906 fue elegido rector, cargo que ocupó hasta 1913 y en el cual se dio amplia cabida a la investigación, siendo obras importantes de su periodo la creación del Laboratorio de Psicología Experimental, del Servicio de Sismología y la fundación de la FECH (Federación de Estudiantes de la Universidad de Chile). Más tarde, entre 1913 y 1918, se desempeñó como fiscal.
Murió en Santiago el 19 de junio de 1919 y sus restos descansan en la ciudad de Linares, que lo reconoce como hijo ilustre, honrándolo al ponerle su nombre al principal liceo público de la ciudad. El nombre de este insigne educador también está en otros establecimientos educacionales de Chile y designando numerosas calles.