Учился у своего кузена архитектора Ж. Ф. Блонделя (по другой информации, у дяди — Жана Франсуа Блонделя). В 1759—1775 годах работал в России, в основном в Санкт-Петербурге. C 1759 года профессор Петербургской Академии художеств. Среди учеников выделяются В. И. Баженов, И. Е. Старов. С 1766 года — придворный архитектор. С 1768 года — член-корреспондент Парижской Академии архитектуры. В 1775 году уехал во Францию.
В 1756 году была создана Российская Академии художеств, и проект её здания был заказан Ж.-Ф. Блонделю. Основатель Академии И. И. Шувалов в это же время искал во Франции преподавателя архитектуры для нового заведения; кандидатуру Валлен-Деламота подсказали ему Блондель и Ж.-Ж. Суффло. В 1759 году Валлен-Деламот был приглашён в качестве профессора для преподавания в архитектурном классе. Согласно заключённому контракту он обязался не только обучать архитектуре воспитанников Академии, но и разрабатывать порученные ему проекты. До приезда Валлен-Деламота архитектурный класс возглавлял Кокоринов, не имевший профессорского звания. Валлен-Деламоту принадлежала ведущая роль в подготовке будущих архитекторов. Он вёл проектирование в старших классах.
Само же здание Академии художеств и должно было стать символом новой архитектуры, в наибольшей степени свидетельствуя об изменениях в государственной архитектурной политике начала царствования Екатерины Великой. Первоначальный проект Блонделя был переделан со значительным увеличением объёмов архитекторами Валлен-Деламотом и Кокориновым. Валлен-Деламот разрабатывает также все детали интерьера. Невиданное до того здание учебного художественного заведения стало образцом для будущих поколений зодчих.
В 1775 году Валлен-Деламот покидает Россию и возвращается во Францию. Живёт в Лионе, где проектирует и строит собственный дом. Но в связи с тяжёлой болезнью и обнищанием он в начале 1782 года вынужден был переехать в родной город Ангулем, где и прожил свои последние годы до кончины 7 мая 1800 года.
Валлен-Деламот зачастую выполнял только лишь проект здания, не участвуя, как тогда было принято, в самом процессе строительства. Сохранившийся во Франции архив его работ даёт возможность оценить творчество зодчего. Возведённые по проектам Валлен-Деламота здания — характерные образцы раннего русского классицизма, в которых ясность композиций сочетается с барочной пластичностью масс. В творческом почерке мастера угадывается стремление к палладианству.
Работал в Зимнем дворце, обустраивая интерьеры в юго-восточной части для только что взошедшей на престол Екатерины II (в т. ч. опочивальня, будуар, кабинет, ванная). По рисункам Валлен-Деламота создаются верстовые столбы.
Императорская Академия художеств
Католическая церковь Святой Екатерины
Дворец Юсуповых на Мойке
Загородная усадьба графа И.Г. Чернышёва
Дворец графа К.Г. Разумовского