Le plan cadastral napoléonien de 1829 mentionne une petite maison à cet emplacement, pour laquelle les matrices cadastrales font état d'une démolition pour l'année 1837, puis d'une nouvelle construction pour 1842. Dès 1844, la municipalité de Valennes la loue à son propriétaire, M. Cheminais (épicier à Vibraye), pour y loger l'école de garçons. Les conditions d'accueil des élèves deviennent vite très insatisfaisantes mais le désir de la commune de construire une école neuve est contrarié par son manque de moyens. Le projet est étudié à plusieurs reprises en conseil municipal, sans suite. En 1867, le préfet menace même de fermer l'école de Valennes. La municipalité se met alors en quête de maisons à acheter dans le bourg, mais celles-ci sont toutes occupées et souvent par plusieurs ménages. La fabrique propose même de céder le terrain de l'ancien cimetière pour y construire l'école, mais l'offre est repoussée, l'emplacement étant inadapté.

Finalement, la solution retenue est d'acheter la maison Cheminais en 1873 pour l'agrandir et lui adjoindre une mairie (alors située dans la grange du presbytère). L'acte de vente est signé deux ans plus tard : "un corps de bâtiments construit en pierres couvert en ardoise à usage de salle d'école, renfermant la classe des garçons avec une cheminée, un corridor, un cabinet au bout, une autre chambre à feu, une cuisine avec four, grenier sur le tout ; une chambre à feu, une cave dessous". L'élaboration des plans et devis est confiée à l'architecte Pascal Vérité. Un premier projet prévoyant un étage à la mairie, formant pavillon, est jugé trop coûteux. Le projet définitif comprend donc une mairie en rez-de-chaussée, qui ne se distingue pas formellement de la salle de classe, ainsi qu'une cour plus grande.

En janvier 1876, l'entrepreneur Jacques Hallier (de Mondoubleau) se voit attribuer les travaux de construction. Un bâtiment neuf, comprenant mairie, salle de classe et couloir, est donc construit dans le prolongement de la maison Cheminais, une cour avec préau et sanitaires est aménagée. Les travaux sont réceptionnés un an plus tard, en janvier 1877. La même année, l'ancienne maison Cheminais, pourtant en très mauvais état, ne fait l'objet que de quelques réparations pour loger l'instituteur, selon un devis signé Travaillard, la commune n'ayant pas les moyens de la reconstruire.

Quant à l'école de filles, tenue par des sœurs de la Charité d'Evron, elle occupait une maison située rue de la Hulotterie, devenue à son tour trop petite et insalubre. Dès 1906, on envisage la construction d'une classe neuve, puis finalement le déplacement de l'école, d'abord envisagée dans le presbytère. Finalement, la municipalité décide de construire une nouvelle école laïque, avec classe enfantine, accolée à celle des garçons, sur un terrain en partie communal, en partie offert par la comtesse de Monteynard. Les plans et devis définitifs sont dressés par l'architecte Joseph Durand en 1909 : il s'agit d'édifier deux classes, un logement de quatre pièces pour l'institutrice et l'adjointe, un préau et des sanitaires. Les travaux, adjugés en 1911, sont confiés à l'entrepreneur Auguste Mouillard (de Saint-Calais) et achevés en 1913.

En 1926, suite à la fermeture provisoire de la classe enfantine, l'instituteur demande la réunion des deux écoles, mais se heurte au refus du conseil municipal. La coéducation sera finalement mise en place en 1937, puis la mixité en 1968. Une cantine scolaire est aménagée en 1947 : elle sera remaniée à plusieurs reprises puis agrandie dans l'ancien logement d'instituteur (ancienne maison Cheminais) en 1962-1963. La même année, deux logements d'instituteurs neufs sont construits à proximité de l'école (actuellement 13 et 15 rue de L’Église), selon les plans de l'architecte Levasseur. Un bureau est également été aménagé à l'arrière de la salle de mairie, sous une portion de préau, dans le 4e quart du XXe siècle. Depuis 2013, les écoles de Valennes et Berfay sont regroupées en SIVOS : en 2018-2019, la commune scolarise 12 élèves du CE2 au CM2. Les bâtiments de l'ancienne école de filles servent actuellement de salle informatique et de salle de motricité.