Родился в перуанских Андах, в бедной многодетной семье индейско-испанского (галисийского) происхождения. В 1910—1915 изучал литературу в Свободном университете г. Трухильо. Зарабатывал на жизнь и учебу тяжелым трудом, в том числе — работал в вольфрамовых шахтах. Входил в литературную группу «Север». В 1917 предпринял попытку самоубийства, затем уехал в Лиму. В 1922 был арестован по ложному обвинению, четыре месяца провел в тюрьме. В 1923 перебрался в Париж, сблизился с французскими, испанскими и латиноамериканскими сюрреалистами (Висенте Уидобро, Пабло Неруда, Тристан Тцара). В 1927 посетил СССР. В 1928 вступил в коммунистическую партию Перу. В ходе Гражданской войны тесно сотрудничал с республиканцами.
Бедствовал, тяжело болел, но причина его смерти так и не была установлена. Похоронен на кладбище Монпарнас.
Писал прозу, обращался к драматургии. Поэзия Вальехо, одна из вершин испаноязычной лирики XX века, вобрала индейские традиции, достижения латиноамериканского модернизма, элементы сюрреалистской поэтики, особенной ощутимой в книге «Трильсе» (1922). Этот синтез был развит в стихах гуманистической и гражданской тревоги, составивших сборники «Испания, да минует меня чаша сия» и «Человечьи стихи», которые были опубликованы уже посмертно.