Im Verein

Chloé Valentini begann das Handballspielen in ihrer Geburtsstadt bei CA Morteau HB. Im Jahr 2011 wechselte sie zu ESBF. Zur Saison 2013/14 rückte sie in den Kader der Erstligamannschaft von ESBF. 2014 stieg sie mit ESBF in die zweithöchste französische Spielklasse ab, jedoch gelang der Mannschaft im darauffolgenden Jahr der sofortige Wiederaufstieg in die Division 1. Im Jahr 2017 unterschrieb sie ihren ersten Profivertrag. In den folgenden Spielzeiten konnte sie sich mehrfach mit ESBF für den Europapokal qualifizieren. Zur Saison 2021/22 wechselte Valentini zum Ligakonkurrenten Metz Handball. Mit Metz gewann sie 2022 und 2023 die französische Meisterschaft sowie 2022 und 2023 den französischen Pokal.

In der Nationalmannschaft

Valentini nahm mit der französischen Juniorinnennationalmannschaft an der U-20-Weltmeisterschaft 2014 teil. Im Jahr 2017 nahm sie mit der französischen Beachhandballnationalmannschaft an der Beachhandball-Europameisterschaft teil. Im Turnierverlauf erzielte sie sechs Punkte.

Valentini bestritt am 25. September 2019 ihr Debüt für die französische A-Nationalmannschaft gegen die Türkei. Noch im selben Jahr nahm sie an der Weltmeisterschaft teil, die Frankreich auf dem 13. Platz beendete. Valentini erzielte im Turnierverlauf insgesamt 14 Treffer. Im darauffolgenden Jahr gewann sie mit Frankreich die Silbermedaille bei der Europameisterschaft. Mit der französischen Auswahl gewann sie die Goldmedaille bei den Olympischen Spielen in Tokio. Valentini erzielte im Turnierverlauf insgesamt 16 Treffer. Im selben Jahr gewann sie bei der Weltmeisterschaft die Silbermedaille.