Il teatro Valle venne costruito per un utilizzo privato per volere del nobile Camillo Capranica, già proprietario del teatro Capranica che aveva ereditato, all'interno dei cortili di palazzo Capranica. Il progetto fu affidato all'architetto Tommaso Morelli, e l'inaugurazione si ebbe il 7 gennaio 1727 con la rappresentazione della tragedia Matilde di Simone Falconio Pratoli. Il teatro, la cui struttura era interamente lignea, si presentava come un classico teatro all'italiana, provvisto di cinque ordini di palchi ed un loggione, senza però un foyer effettivo. La programmazione prevedeva l'esecuzione di opere liriche, opere in musica e drammi in prosa. Il nome deriva dal primo direttore del teatro, Domenico Valle: alcuni sostengono che questa sia in realtà solo una coincidenza, attribuendo l'origine del nome Valle al luogo dove esso sorgeva, detto appunto "alla valle".
Nel tempo si resero necessari nuovi lavori di ammodernamento per la manutenzione della struttura: così, nel 1764 e nel 1765 si operarono delle migliorie da parte degli architetti Giovanni Francesco Fiori e Mauro Fontana. Il continuo bisogno di manutenzione obbligò la famiglia Capranica ad affidare, nel 1791, nuovi lavori di ristrutturazione ai fratelli Francesco e Giandomenico Navona che, tuttavia, mantennero come i loro colleghi la struttura lignea del teatro, operando solo con rinforzi interni sullo stabile. La soluzione non convinse gli architetti del governo di allora, che ordinò la totale ricostruzione del teatro in muratura, per renderlo idoneo alle norme di sicurezza sugli stabili teatrali.
Il 18 maggio 1812 avviene la prima assoluta di Demetrio e Polibio di Rossini con Ester Mombelli.
Il 26 dicembre 1815 avviene la prima assoluta di Torvaldo e Dorliska di Rossini con Domenico Donzelli e Filippo Galli.
Il 25 gennaio 1817 avviene la prima assoluta di
La Cenerentola di Rossini.
Nel 1818 i Capranica affidarono la progettazione del nuovo stabile in muratura a Giuseppe Valadier, che optò per una soluzione di largo respiro, che prevedeva l'abbattimento di alcuni palazzi adiacenti al teatro (compreso una parte dell'abitazione nobiliare della famiglia Capranica): rifiutato dalla commissione il progetto, il rifacimento avvenne in forma più modesta, con rinuncia dell'aspetto esterno neoclassicheggiante progettato dal Valadier. Per l'erezione della struttura muraria la sala perse un ordine di palchi, che si ridussero a quattro, mentre le dimensioni rimasero pressoché inalterate: gli ordini vennero comunque modulati in linee curve che fornirono eleganza e movimento. Il crollo di una parete del palazzo, che confinava col teatro, implicò il passaggio dei lavori dal Valadier all'architetto Gaspare Salvi, che terminò l'opera nel 1822.
Lo stesso anno, il 26 dicembre, si ebbe l'inaugurazione con l'opera Il corsaro di Filippo Celli su libretto di Jacopo Ferretti. Il teatro divenne pubblico, ottenendo dalla chiesa il privilegio di poter inscenare spettacoli anche fuori dai periodi canonici consentiti, ossia quelli del carnevale.
Il 4 febbraio 1824 avviene la prima assoluta di L'ajo nell'imbarazzo di Gaetano Donizetti.
Il 7 gennaio 1827 avviene la prima assoluta di Olivo e Pasquale di Donizetti con Domenico Cosselli, Giuseppe Frezzolini e Giovanni Battista Verger.
Il 2 gennaio 1833 avviene la prima assoluta di Il furioso all'isola di San Domingo di Donizetti con Giorgio Ronconi e Lorenzo Salvi.
Il 9 settembre 1833 avviene la prima assoluta di Torquato Tasso (opera) di Donizetti con Ronconi ed Antonio Poggi.
Il teatro rimase attivo anche durante il periodo della Repubblica Romana nel 1849 quando molti artisti, tra i quali Tommaso Salvini e Gustavo Modena facenti parte della guardia Nazionale interrompevano le proprie rappresentazioni al suono di tre colpi di cannone.
Dal 1855 al 1890 operò, di fianco al teatro, un altro teatrino detto "Valletto", che aveva in comune col teatro Valle una parete. Nato come teatro per marionette, era gestito da un burattinaio chiamato Antonio Torrini. Venne successivamente adibito ad altri usi.
Nel corso del XIX e del XX secolo il teatro fu oggetto di ulteriori ammodernamenti, che videro coinvolti gli affreschi del soffitto, che venne ridipinto dal pittore Silvio Galimberti, il sipario ed il palco reale. Con la definitiva dismissione dell'Ente Teatrale Italiano, il teatro Valle sospese l'attività il 19 maggio 2011.
Il Teatro Valle è stato occupato il 14 giugno 2011, dopo la chiusura dell'ETI, da un gruppo di lavoratori dello spettacolo, attivisti e liberi cittadini per protesta affinché lo stabile venga mantenuto pubblico attraverso partecipazione popolare e gestito con criteri di trasparenza. Nei tre anni di autogestione, gli occupanti hanno elaborato nuove proposte di gestione dei teatri pubblici ma più in generale come ripensare dal basso nuovi modelli di politiche culturali. Gli occupanti hanno vinto vari premi e cercavano di prendere legittimo possesso del teatro creando una Fondazione apposta, ma questo tentativo non ha riscontrato risultati positivi. L'occupazione si è conclusa pacificamente l'11 agosto 2014 con la consegna libera del teatro alle autorità comunali, con la questione della futura gestione ancora aperta.
