Gianluca Valentini ha conseguito la laurea in Ingegneria Nucleare indirizzo elettronico presso il Politecnico di Milano nel 1985.
Dal 1985 al 1988 ha lavorato presso la società IBM dove ha svolto sia ruoli tecnici che organizzativi per lo sviluppo di nuovi prodotti.
Nel dicembre 1988 ha assunto il ruolo di ricercatore del Consiglio Nazionale delle Ricerche presso il Centro di Elettronica Quantistica e Strumentazione Elettronica ora Istituto di Fotonica e Nanotecnologie.
Dal novembre 1999 al 2010 è stato professore associato di Fisica presso il Politecnico di Milano. Dal gennaio 2011 è professore straordinario del settore disciplinare Fisica Sperimentale della Materia.
E' co-autore di più di 100 articoli su riviste interanzionali con revisori e di due brevetti. Dal 2007 al 2010 è stato Delegato del Rettore per la protezione della Proprietà Intellettuale e la creazione di Società Spin-off presso il Politecnico di Milano.
L'attività di ricerca del Prof. Valentini ha riguardato sia la fisica dei laser, sia le applicazioni dei laser alla biologia ed alla medicina. In particolare si è occupato dello studio di risonatori per laser a stato solido al alta brillanza, di fotoablazione laser con sorgenti nel medio infrarosso e di spettroscopia di fluorescenza. Attualmente i suoi principali interessi sono nello studio delle tecniche di imaging di fluorescenze risolte in tempo per la diagnosi medica, l'imaging di piccoli animali (molecular imaging), per studi di biologia. E' inoltre impegnato nello sviluppo di tecniche diagnostiche innovative per la conservazione del patrimonio storico-artistico.