Après des études en droit et histoire de l'art, il s'oriente vers le cinéma et tourne de 1948 à 1955 une quinzaine de courts métrages documentaires. Il réalise son premier long métrage, Les Jeunes filles de San Frediano en 1955, une comédie dramatique adaptée du roman de
Vasco Pratolini.
En 1957, il écrit le scénario de Guendalina, que tournera
Alberto Lattuada.
Viennent ensuite, en 1959, Été violent, puis en 1960 La Fille à la valise, avec
Claudia Cardinale et
Jacques Perrin, qui obtient un succès critique et public.
En 1962, il tourne Journal intime avec
Marcello Mastroianni et
Jacques Perrin, également inspiré d'un roman de
Vasco Pratolini Cronaca familiare, pour lequel il obtient le Lion d'or à Venise.
Dans ces trois films, Valerio Zurlini peint avec sensibilité l' effusion amoureuse et le désespoir existentiel d'êtres conscients des difficultés (d'ordre sociologique, politique ou historique) dans lesquelles ils évoluent. La grande force de Zurlini est de communiquer aux paysages et à l'espace-image le malaise intérieur des protagonistes ( les "paysages-états d'âme" que suggère le critique Jean A. Gili). Le regard porté sur le contexte socio-politique s'effectue, de façon remarquable, sans que soit simplifiée voire gommée l'analyse des souffrances intérieures des personnages.
C'est, en particulier, le cas du film Eté violent, avec
Jean-Louis Trintignant et
Eleonora Rossi Drago, qui, rappelle, en maints endroits, l'émouvant Le Jardin des Finzi-Contini que Zurlini, en froid avec les producteurs, ne réalisa pas, et qui fut, en définitive, l'oeuvre du grand
Vittorio De Sica.
Il met ensuite en scène des films moins aboutis comme Des femmes pour l'armée en 1965 ou Black Jésus, assis à sa droite en 1968, avant de retrouver le succès en 1972 avec Le Professeur (Prima notte di quiete) avec
Alain Delon, Sonia Petrova et Léa Massari.
L'oeuvre la plus forte de Valerio Zurlini est peut-être la fidèle adaptation en 1976 du roman de Dino Buzzati Le Désert des Tartares avec des décors remarquables du vieux fort du temps des Croisés et une distribution internationale prestigieuse qui affiche
Vittorio Gassman,
Giuliano Gemma,
Philippe Noiret,
Jacques Perrin,
Laurent Terzieff,
Fernando Rey,
Jean-Louis Trintignant,
Max von Sydow, Helmut Griem, Francisco Rabal et pour la musique Ennio Morricone.
Valerio Zurlini meurt en 1982.