Der im finnischen Jyväskylä geborene Valtteri Kemiläinen debütierte in der Saison 2014/2015 im Team seiner Geburtsstadt in der ersten finnischen Liga. Insgesamt neun Jahre lief der Verteidiger in der Liiga für JYP Jyväskylä und Tappara Tampere auf. In insgesamt 494 Partien erzielte Valtteri 67 Tore und legte 216 Treffer auf (283 Scorerpunkte).

2017, 2023 und 2024 gewann Valtteri mit Tappara Tampere die finnische Meisterschaft. In der Saison 2022/2023, in der er mit 52 Scorerpunkten in 57 Spielen eindrucksvoll seine Scoringfähigkeiten unter Beweis stellte, wurde er zudem als Verteidiger des Jahres der finnischen Liiga ausgezeichnet. 2022 und 2023 gewann er mit Tappara Tampere ebenfalls die Champions Hockey League.

Den größten Erfolg seiner Karriere feierte Valterri im Frühjahr 2022. Mit der finnischen Nationalmannschaft gewann der Verteidiger bei den Olympischen Winterspielen in Peking die Goldmedaille.

Nach neun Jahren in Finnland mit einer kurzen Unterbrechung mit Stationen in Vityaz (Russland) und Rögle Schweden), lief Valtteri in der Saison 2024/2025 beim HC Sparta Prag in Tschechien auf. Für den Club aus der tschechischen Hauptstadt erzielte er 26 Scorerpunkte in 54 Partien.