Estudió Comunicación Audiovisual y Teatro en la Escuela de Fernando González. A pesar de que es una figura reconocida principalmente por su trabajo en televisión, fue el cine la disciplina en la que Gonzalo Valenzuela debutó. En 1999 participó del film Last Call de Christine Lucas. Al año siguiente logra una enorme fama tras participar del exitoso montaje teatral Sinverguenza, donde personificó a El Manguera. Tras ello, recibió una oferta de canal 13 para sumarse a la teleserie Piel Canela. Posteriormente fue parte del elenco de la película Fragmentos Urbanos y al año siguiente regresó a las teleseries en canal 13 con su rol en la teleserie Machos. Valenzuela comenzó a trabajar también en Argentina, en teatro y televisión. En Chile participa del proyecto XS, la peor talla y En la cama de Matías Bize, cinta que recibió numerosos reconocimientos internacionales. Su amistad con Benjamín Vicuña y el amor de ambos por el teatro se materializó con la creación del Centro Mori, espacio dedicado a la exhibición y difusión del arte escénico. A su trabajo en Chile se suma también Normal con alas de Coca Gómez y Sal de Diego Rougier, que se estima se estrenará en 2011. Desde que se comprometió con la actriz argentina Juana Viale reside en Argentina.