Anche il cinema si dimostra interessato alla singolare personalità di Franca Valeri. La sua carriera cinematografica era iniziata nel 1950 con la breve apparizione, nella parte di una coreografa ungherese, in Luci del varietà di Alberto Lattuada, e era proseguita nel 1951 con quella in I due sergenti di Carlo Alberto Chiesa. Nel 1952 l’attrice ottiene finalmente una parte (per quanto breve) significativa: nel film Totò a colori incarna infatti la Signorina Snob, portando sul grande schermo il personaggio che l’aveva “lanciata”.

Le peculiari qualità fisiche e artistiche di Franca Valeri (diversa dalle attrici “caratteristiche” della tradizione e dalle maggiorate in voga nelle commedie) la favoriscono nel cinema dove ottiene molte scritture sia pure per parti molto brevi, e l’efficacia di queste prove iniziali le fanno in seguito ottenere parti di maggior impegno di cui lei stessa rivede la sceneggiatura. Nel 1953 è la prostituta bolognese nell’episodio Concorso di bellezza del film Villa borghese di Franciolini. L’interpretazione viene notata e nel successivo Il segno di Venere (1955) diretto da Dino Risi, l’attrice viene chiamata a occuparsi (insieme allo stesso Risi, a Ennio Flaiano e a Cesare Zavattini) anche della sceneggiatura. Nello stesso anno aveva inoltre già girato come attrice Piccola posta di Steno (nel quale interpreta la Signorina Cangiullo, alias Lady Eva, contessa polacca, responsabile della posta del cuore di un settimanale) e Le Signorine dello 04 di Gianni Franciolini. Al 1955 risalgono anche Il bigamo di Luciano Emmer (in cui Franca Valeri, dichiarandosi sua moglie, contende Marcello Mastroianni a Giovanna Ralli) e Un eroe dei nostri tempi di Mario Monicelli in cui recita con Alberto Sordi. La coppia comica Valeri-Sordi (già parzialmente rodata anche in Il segno di Venere e in Piccola posta) si ripropone con ottimi esiti in Il moralista (1957) di Giorgio Bianchi e in Il vedovo (1957) di Dino Risi.

Altro mezzo cui Franca Valeri affida la propria popolarità è la televisione. Nel 1957 l’attrice partecipa al varietà settimanale La regina e... (regia di Antonello Falqui) nel quale si presta a fare la segretaria della “regina del pettegolezzo” Nilla Pizzi, che si intrattiene per circa trenta minuti con diverse ospiti femminili. Mentre Nilla Pizzi arrichisce la trasmissione con le sue canzoni, Franca Valeri si produce nella Signorina Snob e nell’archetipo della sora Cecioni, la sarta romana Irma.

Due anni dopo, nel 1959, Franca Valeri è protagonista del varietà in sette puntate Le divine di cui è anche autrice con Vittorio Caprioli e altri. Esibendosi in balli e canti, l’attrice assume i panni di sette vedettes della prima metà del secolo. I personaggi dell’austroungarica Mitzi e di Vanessa Crown, ispirato a Susan Hayward, sono i più esilaranti. Quattro delle canzoni cantate dall’attrice (scritte da Caprioli, musicate da Fiorenzo Carpi ed eseguite dal sestetto jazz di Raoul Ceroni) vengono incise su 45 giri (EP Juke Box 45JEP743 del 1959). Complessivamente però Le divine non ottiene un vasto consenso popolare e viene stroncato anche da qualche voce autorevole (tra cui quella di Achille Campanile).

Gli anni Sessanta si aprono con il matrimonio con Vittorio Caprioli. Sul piano professionale, Franca Valeri continua ad alternare cinema, televisione, teatro e radio. Nel primo quinquennio l’attrice gira un discreto numero di film. Se la sua apparizione in Rocco e i suoi fratelli (1960) di Luchino Visconti è piuttosto inconsistente, più sostanziali sono invece le interpretazioni di Mariti in pericolo  di Mauro Morassi (che si fonda in gran parte proprio sulla simpatia della Valeri) e  Crimen di Mario Camerini (in cui Franca Valeri forma con Nino Manfredi una coppia di borgatari romani). Il 1961 la vede recitare in Leoni al sole che segna l’esordio alla regia cinematografica di Vittorio Caprioli. Nel 1962 è la volta di Parigi, o cara (diretto anch’esso da Caprioli) di cui Valeri interpreta la parte principale (quella della prostituta Delia) e firma anche la sceneggiatura. Nella seconda metà degli anni Sessanta l’attività cinematografica di Franca Valeri inizia poi a rarefarsi.