La vallata, ampia e boscosa, è percorsa dal torrente Margorabbia e circondata a destra dal gruppo de I Bedeloni, tra cui svetta il monte Sette Termini (m 972) e a sinistra dalla dorsale del monte Pian Nave (m 1058). E' il naturale proseguimento della Valcuvia e della Valganna verso il Lago Maggiore.

Il nome Valtravaglia sembra derivare da un composto con "valle", come "trans valles", "trans vallem", "inter valles", da confrontare con un antico "Travaglum", riportato dal Codex Diplomaticum Longobardorum ma non identificato, e con il monte "Trevalie".

I centri principali sono Montegrino Valtravaglia, Brissago Valtravaglia, Grantola, Mesenzana.

Sicuramente abitata come altri centri del Luinese anche in epoca preistorica, vide l'insediarsi dapprima di popolazioni celtiche e dalla metà del III sec. a.C. dei romani. Nel Medioevo con l'introduzione del sistema feudale si costituì la Pieve della Valtravaglia, di proprietà dapprima del monastero di S. Pietro in Ciel d'Oro di Pavia (dall'VIII sec. all'inizio dell'XI), quindi degli arcivescovi di Milano (dal'XI sec. alla fine del XIV), dei Visconti (dal 1397 al 1416), dei conti Rusca di Como (dal 1416 al 1583, anche se non continuativamente), dei conti Marliani (dal 1583 al 1783) e, infine, dei conti Crivelli, gli ultimi feudatari (dal 1783 al 1797).

Nel 1513 venne occupata dagli Svizzeri, che la resero all'imperatore Carlo V in cambio di Mendrisio con la pieve di Balerna

Da qui in avanti la storia della Valtravaglia si identifica con la storia della Lombardia.

Nel 1805, venne inserita nel dipartimento del Lario con capoluogo Como. Nel 1927 venne attribuita alla neocostituita Provincia di Varese.

Alcune località in riva al Lago Maggiore, come Porto Valtravaglia, hanno mantenuto l'antico attributo a testimonianza dell'appartenenza alla Pieve medievale, pur trovandosi geograficamente al di fuori della vallata.

La Valtravaglia è attraversata dalla provinciale Luino-Vergiate e fino agli anni Cinquanta Valtravaglia anche dalla tramvia che univa Luino a Varese. Di questa linea di comunicazione rimane qualche testimonianza del tracciato, qua e là ancora riconoscibile, e alcune stazioni, a volte in ottimo stato di conservazione, come quella di Molino d'Anna.