Hans Valdemar Møller var søn af overretssagfører Hans Karsten Werchmeister Møller og hustru skuespillerinden Julie Amalie Bondesen (01-01-1843 i Viborg - 21-07-1907). Han var elev af Slomanns Skole og gik på Askov Højskole inden han kom på Det kgl. Teaters elevskole i årene 1903-1905. Han debuterede på Det kgl. Teater i september 1905 som løjtnant Færk i "Feltmans samlinger". Han var skuespiller ved Det kgl. Teater fra 1905 til 1947. Han begyndte at filme hos Nordisk Film i 1908, men medvirkede kun i et mindre antal produktioner der, før han skiftede til Filmfabriken Danmark i 1912, hvor han blev en del af det faste ensemble. Her blev det til mere end 30 film, ofte fremtrædende roller og ofte i samspil med sin hustru Hildur Møller. Fra 1917 arbejdede han for Olaf Fønss' selskaber Dansk Film Co. og Dansk Astra Film. Op til 1928 medvirkede han i næsten 50 stumfilm, bl.a. "Balletdanserinden", "Det blå blod" og "Hævneren" . Som en af de få stumfilmskuespillere klarede Valdemar Møller overgangen til tonefilmen, og han kom til at medvirke i knap 20 film indtil 1944. I 1933 spillede han rollen som bankieren Robert Bernstein i "Tango". Han medvirkede i den svenske film "Rosor varje kväll" fra 1939. Han var også humoristisk tegner og var fra 1920 i mere end 25 år vittighedstegner ved Politiken og bl.a. en årrække med til at illustrere "Blæksprutten". Valdemar Møller var også en meget anvendt radioskuespiller. Han var bror til skuespillerinden Petrine Sonne. Valdemar Møller blev 9. november 1907 gift med skuespillerinden Hildur Minna Sørensen (27-08-1885 - 29-12-1936). Efter at være blevet enkemand blev han siden gift den 17. juni 1941 på Københavns Rådhus med Mary Alice Juul (20-08-1917 - 19-03-2000).