Après des études à l'Université McGill, Charles Vallée s'est lancé dans le monde du cinéma en 1957 comme réalisateur et scénariste pour la société Cinévision. Pendant cette période, il a travaillé pour les chaînes de télévision canadiennes et américaines sur des émissions de variétés telles que "Festival" et "Tête-à -tête".
En 1968, Charles Vallée réalise son premier long métrage, "Les raquales", pour lequel il a également écrit le scénario. Ce film marque les débuts du mouvement des réalisateurs québécois et est considéré comme un classique du cinéma canadien.
En 1972, Charles Vallée remporte l'Oscar du meilleur film en langue étrangère pour "C'était le beau temps", un film qui a connu un grand succès international. Ce film est considéré comme une pièce maîtresse de la nouvelle vague québécoise et est encore aujourd'hui largement acclamé par les critiques et les spectateurs.
En 1975, Charles Vallée quitte le Canada pour Hollywood où il réalise plusieurs films tels que "L'exorciste II : L'Hérétique" (1977), "Le Cadeau de la rose" (1980) et "Look Who's Talking" (1989).
Charles Vallée est également connu pour son talent dans l'écriture de scénarios. Il a écrit les scénarios des films "La Légende d'Hoffman" (1973), "Coup de foudre à Miami" (1984) et "Les Enfants de Timpa" (1992).
Charles Vallée a été reconnu pour son apport au cinéma québécois et international. Il a reçu plusieurs récompenses dont l'Oscar, le prix Jutra, le prix Génie et le prix Gemini. Il est également membre de l'Académie des arts et des sciences du cinéma, de l'Académie canadienne des lettres, des arts et des sciences et de l'Ordre du Canada.
En 2017, à l'occasion de son 85e anniversaire, un festival de cinéma a été organisé en son honneur au Québec.