Nacido en una familia noble, estudió clavicordio con una sucesión de importantes maestros, entre ellos Stefano Tavolaccio, Quinzio Solini (con quien también tuvo lecciones de continuo y contrapunto) y Paolo Quagliati, y viola da gamba con Marco Fraticelli; también estudió danza con Fabritio Caroso. Su libreto "Il carro di fedeltà d’Amore" fue musicalizado por Quagliati y publicado en Roma en 1611; es una corta 'azione alegórica’ para cinco personajes. Della Valle declaraba después que se realizó primero durante el Carnaval de 1606, y que estaba entre las primeras de  tales obras que se oyeron en Roma. 

Es como etnógrafo que Della Valle fue más conocido por sus contemporáneos. Desde 1614 hasta 1626 viajó a Turquía, Persia e India. Sus cartas de ese tiempo que incluyen comentarios sobre la música de estas culturas, son ricas en detalles. Su publicación ("Viaggi", Roma, 1650-58) fue una sensación: pronto aparecieron numerosas ediciones así como traducciones en holandés, inglés, francés y alemán. Un siglo después su reputación todavía era tal que Edward Gibbon lo citó con aprobación en "La Historia de la Declinación y Caída del Imperio romano" (1776-88).

Edición discográfica con obras de Pietro Della Valle

A su regreso del Oriente, Della Valle reasumió sus actividades musicales. Adaptó elaborados servicios fúnebres para su primera esposa, una mujer siria que había muerto en 1621 y cuyo cuerpo embalsamado trajo a Roma. Fue enterrada en la bóveda familiar en Santa María d’Aracoeli en julio de 1626, y el 27 de marzo de 1627 se realizó allí una ceremonia conmemorativa. La última incluyó ‘flebili concerti di musica'  y una misa solemne.

Eventos familiares más felices también trajeron nueva música. Para celebrar el nacimiento de su primer hijo en 1629 (se había casado con una georgiana llamada María Tinatin di Ziba el año anterior) Della Valle escribió otro libreto,"La valle rinverdita". La música, de autoría desconocida, está perdida, pero el texto sobrevive en manuscrito y se publicó en Venecia en 1633. En esta 'veglia drammatica' en tres actos (realizada en Roma, 1629), personajes alegóricos y míticos rememoran la muerte de la `primera esposa de Della Valle antes de regocijarse en la cuna de su niñita, Romibera. En este periodo produjo también un tratado sobre sus innovaciones en prosodia italiana ("Di tre nuove maniere di verso sdrucciolo", Roma, 1634). 

Durante los años 1630 y 1640 Della Valle celebró el carnaval produciendo obras teatrales en su casa. Documentos supervivientes muestran que por lo menos algunas incluían música. Marc´Antonio Pasqualini puede haber actuado en una en 1634, mientras otra el año siguiente lucía música de P. P. Sabbatini y fue dirigida por Stefano Landi. En 1644 Della Valle patrocinó una reposición de la ópera "La baccante", overo "Il trionfo dell´autunno" de Angelo Cecchini.

Después de herir a un sirviente de los Barberini el 6 de abril de 1636, Della Valle fue obligado a dejar Roma; pasó los dos años siguientes en Paliano, Gaeta y Nápoles. Fue en este momento que se afianzó su amistad con Giovanni Battista Doni, que probablemente había empezado en 1635. Sobreviven cartas al estudioso florentino desde 1637 hasta su muerte en 1647; ellas muestran que investigaciones de Doni sobre la música de los griegos antiguos inspiraron a Della Valle de varias maneras. Después de su regreso a Roma en marzo de 1638, por ejemplo, compuso obras que emplean modos y géneros antiguos. Una, ahora perdida, era un diálogo en latín (oratorio), basado en el libro de Esther, que se realizó en el Oratorio del Crocifisso, Roma, el 2 de abril de 1640 (durante el Carnaval de 1647 Della Valle produjo una versión escenificada de él en su casa). Este fue seguido después ese año por un oratorio italiano (Della Valle está entre los primeros en referirse al género por este nombre) escrito para la fiesta de Purificación de 1641. Aunque concebido para interpretarse en el nuevo Oratorio della Vallicella de Francesco Borromini en Roma, nunca fue producido allí, pero, también se escuchó en la casa del compositor.

Della Valle también hizo uso de tal ‘musica erudita' en obras seculares: el 11 de abril de 1649 envió al rey João IV de Portugal una partitura de un diálogo de Luís de Camõens, probablemente de su obra maestra épica "Os Lusiadas".

En su oratorio superviviente Della Valle empleó una mezcla convencional de recitativo, aria y estilos de coral. Sin embargo, escribió cada sección en uno de los cinco modos (Dorio, Frigio, Eolio, Lidio e Hipolidio) adaptado según la que él creía ser la auténtica práctica griega. Para ayudar a realizar esta obra y otras, Della Valle también había construido instrumentos de continuo especiales. Su ‘violone panarmonico' y ‘cembalo triarmonico', con sus múltiples encordados y teclados, permitían cambios fáciles de un modo a otro (en 1649 incluso le envió uno de los clavicordios a João IV), y fueron celebrados por teóricos como Doni (Annotazioni sopra il Compendio de´ generi e de´ modi, 1640) y Kircher (Musurgia universalis, 1650