Dalføret vart isfritt for vel 10 000 år sidan. Bjørk var det vanlegaste treslaget dei første 2000–3000 åra. I den varme perioden som følgde, tok furua over. Deretter kom ein periode med mykje gråor. Sidan jernalderen har bjørk vore det viktigaste treslaget i dalføret att.
Vegetasjonshistoriske granskingar tyder på at det budde folk i Valldalen alt i steinalderen. Den tidlegaste busetnaden var så vidt ein veit ved Ullsheller, på austsida av det opphavlege Valldalsvatnet. I siste delen av bronsealderen (for om lag 3000 år sidan) var det både husdyr og kornåkrar her. Truleg slutta folket i Valldalen å dyrka korn før jernalderen tok til, kanskje fordi klimaet vart kaldare. Husdyr har det nok vore så lenge det budde folk i dalen, dei siste flytta rett etter krigen.
I førre hundreåret, før oppdemminga, vart Valldalen nytta til sommarbeite, med 18 stølsbruk på det meste. I 1930-åra kunne det vera opptil 7000 geiter og 1000 kyr på stølane. Fram til slutten av 1950-åra låg det eit ysteri som produserte geitost, nedst i Austmannalia, der vegen tek av inn mot Valldalen. Seinare vart det bygt nytt ysteri nærare Røldal. Det er langt færre geiter og kyr i dalføret no enn tidlegare. Gammal beitemark veks derfor til med bjørkeskog.
Grunnlaget for den frodige vegetasjonen er eit tjukt morenedekke, med mykje fyllitt frå berggrunnen. Fyllitten forvitrar lett og frigir viktige plantenæringsstoff. God tilgang på kalk gir vekstvilkår for mange kravstore artar, spesielt på aust- og nordsida av dalen, mellom anna reinrose, fjellsmelle, rukkevier, raudsildre og gulsildre.
Valldalen ligg i den nordaustlege delen av Suldalsvassdraget, som renn ut i Boknafjorden ved Sand i Ryfylke som Suldalslågen. Den sørvestlege delen av Hardangervidda blir såleis drenert gjennom dalføret, og desse vassmassane er eit viktig fundament for kraftutbygginga i Røldal–Suldal. Den 90 meter høge Valldalsdammen vart reist i 1960-åra. Dei opphavlege strendene og det gamle kulturlandskapet vart slukt av kraftverksmagasinet. Dei fleste stølane er neddemde det meste av året, og alltid om sommaren.