In 1966-1967 begon ze haar televisiecarrière als “The Resident Dream Girl” in The Dream Girl van 1967, als vervangster van Beverly Adams uit de eerste doordeweekse uitzending tegenover gastheren Dick Stewart en Wink Martindale, en in die tijd verscheen ze ook in een andere show van Chuck Barris, The Dating Game.
Valentine met Lloyd Haynes in Room 222 (1970)
In 1969 kreeg Valentine haar doorbraakrol als nieuwe lerares in de ABC televisieserie Room 222 met Lloyd Haynes, Denise Nicholas, en Michael Constantine. Ze werd ontdekt door Gene Reynolds, de regisseur van Room 222, die haar tijdens de repetitie zag lip-synchen en inzag dat ze grappig was. Ze werd twee keer genomineerd voor een Emmy en een keer voor een Golden Globe, en won een Emmy in 1970 voor Outstanding Actress in a Supporting Role.
Valentine speelde later in 1975 in haar eigen televisieserie, Karen. Ze speelde Gidget in de film Gidget Grows Up uit 1969, de titelrol in het veelgeprezen waargebeurde verhaal Muggable Mary, Street Cop (1982) en verscheen in vele andere televisiefilms waaronder 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) en Skeezer (1982). Valentine was een semi-regular in The Hollywood Squares van 1971 tot 1977 op zowel NBC-TV als in syndication, waar ze vaak kwinkslagen uitwisselde met Paul Lynde. Ze was te gast in vele series, waaronder Starsky & Hutch, Baretta, McMillan & Wife, Cybill en Murder, She Wrote en meerdere afleveringen van The Love Boat en Love, American Style. Ze had een hoofdrol in de 25e aflevering van het derde seizoen van de 1985 revival van The Twilight Zone, getiteld “Many, Many Monkeys”.
Haar speelfilms zijn Forever Young, Forever Free (1975), Hot Lead and Cold Feet (1978), The North Avenue Irregulars (1979) en The Power Within (1995). Ze had ook veel hoofdrollen in televisiefilms.
Valentine werkt nog steeds voor televisie en op het toneel. Ze speelde samen met John Larroquette in een tv-film van Hallmark Channel uit 2004, Wedding Daze. Ze speelde op het podium in vele producties, waaronder Romantic Comedy op Broadway en National Tour, Breaking Legs Off-Broadway en National Tour, en de Los Angeles productie van Steel Magnolias.