Csépe Valéria az ELTE pszichológia szakán végzett. Diplomamunkáját egy akkor nemzetközileg is új témában írta mérnök feltalálók kreativitásáról és személyiségjellemzőiről. Az egyetem után a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Pszichológiai Intézetének Pszichofiziológiai Laboratóriumában kezdett fiatal kutatóként. Egyetemi doktoriját az ELTE-n (1981), kandidátusi értekezését (a mai PhD elődje) az MTA-n (1992) védte meg. 2001-ben habilitált az ELTE-n, 2002-ben védte meg MTA doktori címét. Az ELTE Pszichológiai Intézetében 2005-ben alapította meg a Kognitív Pszichológiai Tanszéken, s ugyanezen évben nevezték ki egyetemi tanárra. A pszichológia alapképzés számára szerkesztett háromkötetes Általános Pszichológia ma is a magyar nyelvű tankönyvek egyik alapműve.

Csépe Valéria Kutatási témája a hallási és beszédészlelés, az elemi akusztikus feldolgozás, az olvasás és szövegértés és ezek fejlődési zavarai, a vizuális szóforma felismerés, a mentális aritmetika, a mondatértés és prozódia, valamint a zenei észlelés agyi folyamatainak többféle módszerrel történő vizsgálata. 1990 és 1992 között a Humboldt Alapítvány ösztöndíjával a Münszteri Egyetemen végezte kutatásait az agy elektromos (EEG ls EKP) és mágneses jeleinek vizsgálatával (MEG). A MEG módszerével végzett kutatásokat 1994 és 2006 között Európa és Japán számos egyetemén vendégprofesszorként folytatta.1993-ban elsők között alakította ki a digitális elektrofiziológiai laboratóriumot, 2000-ben alapította meg a Fejlődés-pszichofiziológiai, majd 2010-ben a Kognitív fejlődésidegtudományi kutatócsoportot. kutatómunkájának eredményei többszáz tudományos közleményben magyar és angol nyelven jelentek meg, ezek idézettsége hatezer feletti. Kutatásait számos hazai és nemzetközi (EU keretprogramok, Marie Curie, stb.) pályázat támogatta, a témavezetésével fokozatott szerzett magyar és külföldi doktorjelöltek száma több mint húsz, közülük többen egyetemi tanárok, intézetvezetők itthon és külföldön. Tanított az ELTE-n, a BME-n, a Pannon Egyetem professzor emeritusa, a HUN-REN TTK emeritus kutatóprofesszora.

A kognitív idegtudományi kutatások számára új lehetőséget biztosító MTA Természettudományi Kutatóközpontjának 2012-ben átadott korszerű épületében alapító közreműködésével 2015-ben kezdte meg működését az alap- és alkalmazott kutatásokat, új innovatív irányokat képviselő, a szélesebb szakmai közösséget is szolgáló (például Nemzeti Agykutatási Programok) Agyi Képalkotó Központ (AKK). Ma a HUN-REN AKK a világszínvonalú kognitív idegtudományi kutatások centruma.

Csépe Valéria számos hazai és nemzetközi tudományos folyóirat szerkesztőségi tagja, a Frontiers iin Psychology társszerkesztője. Volt a Magyar Pszichológiai Társaság (MPT) főtitkárhelyettese (1996-2000), az MTA Pszichológiai Tudományos Bizottság elnöke (2001-2007), a KKB Tudományos Tanács elnökhelyettese (2012-2023), jelenleg elnöke (2023-), az OECD Education 2030 tagja, a a Nemzetközi Tudományos Tanács (ICSU, ma ICS) Stratégiai és Tervezési Testületének tagja 2012 és 2016 között, az MTA Közoktatási Elnöki Bizottságot újraindító elnök 2008 és 2016 között. 2016 és 2025 között a Magyar Felsőoktatási Akkreditációs Bizottság elnöke, jelenleg tiszteletbeli elnöke.

Az MTA 2007-ben levelező, 2019-ben rendes tagjává választotta, s 2012-ben lett az Adademia Europaea tagja is. A Magyar Tudományos Akadémia első női vezetőként választotta főtitkárhelyettesévé 2008-ban, majd 2011-ben második ciklusra. Számos kitűntetéssel, szakmai elismeréssel rendelkezik, közöttük az MPT valamennyi díjával. A Pécsi Tudományegyetem díszdoktora: állami kitűntetést 2003-ban kapott (Magyar Érdemrend Lovagkereszt).

A témavezetői felelősség, doktori képzés minőségének és modernizációjának, valamint a jó példák (Salzburg Principles, ORPHEUS, WFME) követésének elkötelezett híve.