Valentinianus katonatiszt fia volt, és idővel maga is legióknál szolgált Africa provinciában, 363-ban részt vett Julianus császár (ur. 361-363) perzsák elleni hadjáratában, a következő császár, Jovianus (ur. 363-364) pedig elő is léptette őt.
Nem sokkal Jovianus halála után, 364 februárjában a hadsereg vezérkara Niceában (ma Iznik, Törökország) Valentinianust kikiáltotta császárrá. Ő a következő hónapban öccsét, Valenst társuralkodóvá emelte, és rábízta a birodalom keleti felének kormányzását, míg maga a nyugati birodalomrész ügyeivel foglalkozott. Megállapodtak abban, hogy vallási kérdésekben toleranciát gyakorolnak, ám ehhez csak Valentinianus tartotta magát következetesen.
A nagy munkabírású császár fő feladatának a határok megerősítését és folyamatos védelmét tekintette. Serege Galliában 365 januárjában vereséget szenvedett az alemannoktól, de októberben a császár már Lutetiából (ma Párizs) irányította a támadók elleni hadműveleteket. Hadvezére, Jovinus három ízben is legyőzte az alemannokat; a harmadik csata Durocatalaunumnál (ma Châlons-sur-Marne, Franciaország) évekre harcképtelenné tette az ellenfelet. 367-ben Valentinianus áthelyezte székhelyét Ambianiba (ma Amiens), hogy közvetlenebb kapcsolatot tarthasson fenn tábornokával, Theodosiusszal, aki Britanniát védelmezte a szászokkal, piktekkel és skótokkal szemben. Augusztusban a császár 9 éves fiát, Gratianust kinevezte társcsászárrá, majd októberben Augusta Treverorumba (ma Trier, Németország) költözött, s hét évig innen irányította a rajnai határvédelmi vonal megerősítésének munkálatait. 375-ben szülőföldjére, Pannoniába sietett, hogy a kvádok támadását visszaverje, ám ott megbetegedett és hamarosan meghalt.