Wilhelm Valentiner stammte aus einer ursprünglich Flensburger Familie, die im 18. und 19. Jahrhundert zahlreiche schleswig-holsteinische Pastoren, Ärzte und Juristen hervorbrachte. Er war ein Sohn des gleichnamigen Advokaten Wilhelm Valentiner († 1864) und seiner Frau Charlotte geb. Schütze. Friedrich Peter Valentiner und Georg Theodor Valentiner waren Brüder seines Vaters. Er besuchte die Schule in Neustadt; von 1846 bis 1848 war er in Altona. Nachdem er ein Studium der Chemie begonnen hatte, zog er als Freiwilliger der Schleswig-Holsteinischen Armee in den ersten Schleswig-Holsteinischen Krieg und wurde am 8. August 1850 verwundet. Bis 1851 war er in Lazaretten in Rendsburg und Kiel.