I Valby er 55,4 % af beboerne medlem af folkekirken. Bydelen er inddelt i fem sogne: Valby, Valby Søndre, Vigerslev, Timotheus og Aalholm Sogne. Derudover ligger en mindre del af Sydhavn Sogn i Valby. Aalholm Sogn har kommunens højeste medlemsprocent med 63,9 %. Valby Søndre Sogn, som er resultatet af en sammenlægning af Margrethe og Johannes Døbers Sogne i 2016, har bydelens laveste medlemsprocent på 50,2 %.
Frelsens Hær indviede i 1983 en kirkeagtig bygning på Valby Langgade. Diakonien har stået stærkt i Timotheus Kirke, som i 1986 i samarbejde med Jesuskirken etablerede Valby Værested. Siden 1999 har en egyptiskfødt præst holdt faste gudstjenester på arabisk for en mindre menighed, Greater Love (stiftet 1996), i Vigerslev Kirke.
I Valby ligger fem moskéer. Den sunnimuslimske Københavns Moske – Imam Malik Instituttet på Gammel Køge Landevej har tilknytning til den marokkanske stat. Den er stiftet i 2004 og blev godkendt som trossamfund i 2010. Det shiamuslimske Madina-tul-Ilm Education Center blev godkendt i 2015. På Valhøjvej ligger én af fire moskéer i Danmark med tilknytning til den pakistanske Minhaj ul Quran-bevægelse, som kom til Danmark i 1987 og blev anerkendt som trossamfund i 1999. Det ligeledes pakistanske Usmani Islamisk Center på Retortvej blev stiftet i 2014 og godkendt i 2019.
