Valenti Gonzaga besuchte in seiner Jugend das "Collegio de’ Nobili" in Parma und die Universität Ferrara, wo er 1710 einen Doktortitel in den Rechtswissenschaften erlangte. Nach seinem Studium war er als Päpstlicher Ehrenkaplan und in anderen Funktionen für den Heiligen Stuhl tätig und empfing am 3. Juni 1731 die Priesterweihe. Schon im nächsten Monat ernannte ihn Papst Clemens XII. zum Titularerzbischof von "Nicaea". Die Bischofsweihe spendete ihm am 22. Juli 1731 in Rom Kardinal Álvaro Cienfuegos SJ; Mitkonsekratoren waren Giuseppe Spinelli, Nuntius in Flandern, und Erzbischof Carlo Alberto Guidobono Cavalchini. Von 1736 bis 1738 war Valenti Gonzaga Apostolischer Nuntius in Spanien. 1738 wurde er zum Kardinal erhoben. Als solcher fungierte er von 1740 bis 1747 bzw. von 1747 bis 1753 als Kardinalpriester der Titelkirchen "Santa Prisca" und "San Callisto" sowie als Camerlengo des Kardinalskollegiums (1749–1750). Er nahm am Konklave 1740 teil, bei dem Benedikt XIV. als Papst gewählt wurde. Der neue Papst ernannte Valenti Gonzaga sogleich zum Kardinalstaatssekretär, womit er zum wichtigsten Staatsminister des päpstlichen Hofes wurde. Von 1753 bis zu seinem Tod hatte Valenti Gonzaga das Amt des Kardinalbischofs von Sabina inne.