Attirée dès le début de sa carrière de chanteuse par la musique contemporaine au sein d'ensembles tels que le Studio 111, 2E2M, l'Itinéraire ou l'Ensemble Intercontemporain, Marie-Claude Vallin se passionne aussi très tôt pour les musiques du XIIIè au XVIII è siècles.
Elle collabore en particulier avec les Arts Florissants de William Christie et le Huelgas Ensemble de Paul van Nevel, avec lesquels elle effectue de nombreux enregistrements discographiques. Son nom a été associé à celui du Groupe Vocal de France, en tant que chanteuse tout d'abord puis comme chef invité (concerts à Paris, Berlin, Varsovie...).
Depuis 1991, Marie-Claude Vallin est professeur au Conservatoire National Supérieur de Musique de Lyon au sein du Département de Musique Ancienne.