Struktura cząsteczki thumb|Cząsteczka walinomycyny schematycznie:HyValer – reszta kwasu 2-hydroksyizowalerianowegoLac – reszta kwasu mlekowegoVal – reszta waliny Walinomycyna należy do grupy cyklodepsypeptydów, czyli związków makrocyklicznych zawierających zarówno wiązania peptydowe, jak i estrowymi. Cząsteczka walinomycyny składa się z trzech powtarzających się fragmentów zbudowanych z reszt kwasu L-mlekowego, L-waliny, kwasu D-2-hydroksyizowalerianowego i D-waliny połączonych w pierścień. Łącznie w cząsteczce walinomycyny znajduje się 12 grup karbonylowych (6 amidowych i 6 estrowych).
Makrocykliczny pierścień tego depsypeptydu składa się z 36 atomów, a jego średnica w układzie płaskim jest o wiele za duża, aby kompleksować we wnętrzu kation potasu. Cząsteczka walinomycyny nie jest sztywna, lecz może ulegać znacznym zmianom konformacyjnym. Analiza rentgenowska wykazała, że walinomycyna może krystalizować w różnych układach krystalograficznych (trójskośnym, jednoskośnym i rombowym) i może różnić się układem wiązań wodorowych w zależności od użytego do krystalizacji rozpuszczalnika.