In den Jahren 1966-1967 begann sie ihre Fernsehkarriere als „The Resident Dream Girl“ in The Dream Girl von 1967, wo sie Beverly Adams aus der ersten Wochentagssendung gegenüber den Moderatoren Dick Stewart und Wink Martindale ersetzte, und während dieser Zeit trat sie in einer anderen Show von Chuck Barris auf, The Dating Game.
Valentine mit Lloyd Haynes in Room 222 (1970)
Im Jahr 1969 erhielt Valentine ihre Durchbruchrolle als neue Lehrerin in der ABC-Fernsehserie Room 222 mit Lloyd Haynes, Denise Nicholas und Michael Constantine. Sie wurde von Gene Reynolds, dem Regisseur von Room 222, entdeckt, der ihre Lippensynchronisation bei den Proben sah und erkannte, dass sie lustig war. Sie wurde zweimal für einen Emmy und einmal für einen Golden Globe nominiert und gewann 1970 einen Emmy als herausragende Schauspielerin in einer Nebenrolle.
Valentine spielte 1975 in ihrer eigenen Fernsehserie Karen mit. Sie spielte Gidget in dem Film Gidget Grows Up (1969), die Titelrolle in der von der Kritik gefeierten wahren Geschichte Muggable Mary, Street Cop (1982) und trat in vielen anderen Fernsehfilmen auf, darunter The Daughters of Joshua Cabe (1972), Coffee, Tea or Me? (1973), The Girl Who Came Gift-Wrapped (1974), e’Lollipop (1976), Murder at the World Series (1977), Go West, Young Girl (1978) und Skeezer (1982). Valentine war von 1971 bis 1977 in der Serie The Hollywood Squares zu sehen, die sowohl auf NBC-TV als auch in Syndication ausgestrahlt wurde, und lieferte sich oft Wortgefechte mit Paul Lynde. Sie hatte Gastauftritte in vielen Serien, darunter Starsky & Hutch, Baretta, McMillan & Wife, Cybill und Murder, She Wrote sowie mehrere Episoden von The Love Boat und Love, American Style. Sie hatte eine Hauptrolle in der 25. Episode der dritten Staffel der 1985 wiederaufgelegten Twilight Zone mit dem Titel „Many, Many Monkeys“.
Zu ihren Spielfilmen gehören Forever Young, Forever Free (1975), Hot Lead and Cold Feet (1978), The North Avenue Irregulars (1979) und The Power Within (1995). Sie hatte auch viele Hauptrollen in Fernsehfilmen.
Valentine arbeitet weiterhin im Fernsehen und auf der Bühne. 2004 spielte sie zusammen mit John Larroquette in dem Hallmark Channel TV-Film Wedding Daze. Auf der Bühne hat sie in vielen Produktionen mitgewirkt, darunter Romantic Comedy am Broadway und National Tour, Breaking Legs Off-Broadway und National Tour und die Los Angeles Produktion von Steel Magnolias.