Сезар Вальехо Мендоса родился 16 марта 1892 года в Сантьяго-де-Чуко, провинция Ла-Либертад, на северных Андах Перу. Был младшим из одиннадцати детей в семье, чьи предки имели связь с духовенством. Родителями были Франсиско де Паула Вальехо Бенитес и Мария де лос Сантос Мендоса.
Учился в школе Сан-Николас де Уамачуко (1905‑1908). Не смог поступить в университет из‑за бедности, поэтому работал помощником кассира на сахарной плантации «Рома». В 1913 году переехал в Трухильо, где планировал изучать медицину, но бросил эту идею и начал литературный путь в Национальном университете Трухильо, получив степень бакалавра в 1915 году. Его дипломная работа была посвящена романтизму в кастильской поэзии. Уже тогда в журнале «Cultura infantil» появились первые стихи.
Переезд в Лиму
В 1918 году, разочаровавшись в любви, Вальехо переехал в Лиму и издал сборник Черные вестники, в котором ощущалось влияние модернистов — Рубен-Дарио, Херрера, Рейссиг и Чокано, но уже прослеживалась оригинальная простота, разговорность и религиозный взгляд на бытие. Критики в основном холодно отреагировали, за исключением Льюиса Альберто Санчеса и Антенора Оррего.
В столице он подружился с Мануэлем Гонсалесом Прадой и Хосе Марией Эгуреном, а также с молодыми писателями, объединёнными вокруг журналов «Колонида» и «Амаута», среди которых Абрахам Вальделомар и Хосе Карлос Мариатеги, последний написал важный анализ поэзии Вальехо.
Поэт преподавал в школе «Наша Гуадалупа» и, вернувшись в родной город, попал в конфликт с полицией, будучи арестован вместе с братом за поджоги, нападения и попытки убийства. После четырёх месяцев заключения он успел изучать философию и литературу в Университете Сан-Марко.
В 1921 году Вальехо выиграл литературный конкурс общества «Entre Nous» с рассказом «За гранью жизни и смерти». Приз позволил издать второй поэтический сборник Трилце (1922), написанный в тюремных мастерских. В этом сборнике поэт окончательно отрёкся от модернизма, создав собственный язык, близкий к креативизму и экспрессионизму; Трилце считается вехой испаноязычной поэзии, сравниваемой с «Бесплодной землёй» Эзры Паунда.
Жизнь в Европе
В 1923 году Вальехо опубликовал два рассказа — Мелографические шкалы и Дикая сказка — и отправился во Францию, очарованный парижской культурой. В Париже он жил в богемной среде, часто бывал в Лувре, кафе Монпарнас и Латинском квартале. Познакомился с Пикассо, который нарисовал его быстрый скетч.
В 1924‑1925 годах Вальехо общался с Хуидобро, Де́нуа, Цара и Марселем Эйме, работал корреспондентом для «Больших иберо‑американских газет» и писал колонку для журнала «Mundial de Lima». В 1925 году впервые посетил Испанию.
В 1926 году совместно с испанским поэтом Хуаном Ларреа создал журнал Favorables Poèmes de Paris. В 1927 году он встретил будущую жену — Жоржетт Филиппар.
Под влиянием марксизма Вальехо посетил Советский Союз в 1928 году, а в 1929 году вернулся уже в браке, объехав Берлин, Ленинград, Москву, Прагу, Вену, Будапешт, Венецию, Флоренцию, Рим, Геную и Ниццу. В 1930 году, будучи изгнанным из Франции за политическую деятельность, он обосновался в Мадриде, где выпустил второе издание Трилце с предисловием Хосе Бергамина и стихотворением Херардо Диего.
Вальехо вступил в Коммунистическую партию Испании и в 1931 году опубликовал роман «Эль тунгесто», типичный пример социалистического реализма. Тот же год он совершил третью и последнюю поездку в СССР, материал которой стал основой книги Россия (1931).
С 1933 года он писал статьи для паризского журнала «Germinal», критикуя сюрреалистов и отстаивая обязательное социальное искусство. Финансовые трудности заставили Жоржетт продать свою квартиру; в 1936 году пара поселилась в отеле «Du Maine».
После начала гражданской войны в Испании Вальехо активно поддерживал республику. В декабре 1936 года он поехал в Мадрид и Барселону, участвовал в конгрессе антифашистских писателей в Валенсии (1937), где присутствовали Пабло Неруда, Андре Мелрак и Октавио Паз. Вернувшись в Париж, он возглавил Иберо‑американский комитет защиты Республики и вместе с Нерудой помогал в организации «Наша Испания». В этот период Вальехо, отложив поэзию, писал хроники и пьесы, публикуя в журнале «El mono azul» стихи под заголовком «Испания, отними у меня эту чашу».
Смерть и посмертные издания
15 апреля 1938 года поэт скончался в Париже после тяжёлой болезни в клинике Арраго, как он предсказал в стихе «Черный камень на белом камне». Похороны оплатили два перуанских интеллекта — Рауль Поррас Барреньеха и Франсиско Гарсия Кальдерон; панихиду провёл Луис Аррагон. Похоронен на кладбище Монруж.
В 1939 году, при поддержке Рауля Порраса и Жана Кассу, в Париже был издан сборник Человеческие стихи. В Мексике Хуан Ларреа независимо выпустил Испания, отними у меня эту чашу (1940). Другие посмертные публикации: рассказ Пако Юнке (1931), пьесы «Москва против Москвы» (1930) и «Запереть» (1931), сборники «Полный театр» (Лима, 1979), эссе «Искусство и революция» (1973), «Полное поэтическое наследие» (Лима, 1968; Каракас, 1979), «Из Европы. Хроники» (Лима, 1987), «Полная поэзия» (Лима, 1991) и др.