Gonzalo Valenzuela tiene tres hermanos, dentro de los que está Luz Francisca Valenzuela, electa como Miss Chile para Miss Mundo en 1996. Estudió en el Colegio Mayflower de Santiago de Chile para luego estudiar comunicación audiovisual y teatro en la Escuela de Teatro de Fernando González. Su debut mediático lo alcanzó con la obra Sinvergüenzas, dirigida por la actriz chilena Liliana Ross, en la que personificó a "El Manguera", personaje con el que se dio a conocer en 2000. Debido a su éxito en dicha obra, fue contactado por Canal 13 para participar en la teleserie Piel Canela; sin embargo, la teleserie marcaría el punto más crítico de una serie de fracasos del área dramática de la cadena. Recién en 2003, Canal 13 se aventuró a una nueva obra dramática, Machos. Gonzalo Valenzuela adquirió uno de los papeles protagónicos de la serie como Adán Mercader, uno de los hijos de un manipulador y machista hombre que tenía traumas sexuales. Tras el gran éxito de la telenovela, en 2004 participó en Hippie, pero ésta no tuvo los resultados esperados. Durante la misma fecha, montó la obra Splendid's junto a varios amigos como Benjamín Vicuñay Diego Muñoz, siendo dirigido por Felipe Hurtado. Valenzuela viajó a Argentina ese mismo año, y en dicho país conoció a Juanita Viale con la que posteriormente contraería matrimonio. En Argentina, Valenzuela participó en algunas obras televisivas como Doble vida y El tiempo no para. De regreso a Chile, junto a Vicuña y otros profesionales, dieron vida al Centro Mori, un centro recreacional y espacio cultural, dedicado especialmente a las artes. En cine, Valenzuela protagonizó En la cama junto a Blanca Lewin, siendo aclamado por la crítica. Tras varios años alejado del protagonismo televisivo, Valenzuela se reintegró a fines de 2006 al elenco de la adaptación chilena de Montecristo, para luego a mediados de 2007 volver a Canal 13 y protagonizar Lola, compartiendo roles nuevamente con Lewin. Luego de un embarazo de alto riesgo, que obligó a Juanita Vialea permanecer internada por 2 meses en la clínica, finalmente nace el 23 de enero de 2008 el primogénito de la pareja, Silvestre.