Il n’y a pas de différence au point de vue du sens courant.

Les deux mots sont des dérivés du latin vallis.

L’instinct me dit que vallée est dérivé de val au travers d’une féminisation de la Renaissance. Mais valle (prononcé vallé) est une forme déclinée de vallis. L’inverse est donc possible.

Dans l’usage, le mot à utiliser en toute rigueur géographie, géologie ou hydrographie est vallée. Ce qui explique que val soit choisi par les offices de tourisme etc (cf la page Wikipedia de vallée) pour dénommer une région, et aussi que le mot ait pris un sens plus poétique.

val = petite vallée

val est peu utilisé, sauf dans des noms de région (Val de Marne), ou dans des expressions : par monts et par vaux

Mon explication va s’inspirer de celle donnée par Henri Adamczewski dans Le Français déchiffré Clé du langage et des langues (pages 222,224,225) au sujet de : an/année, jour/journée, soir/soirée, matin/matinée.

Pour moi, val sert à présenter un lieu précis (le Val D’Escrein) ou une forme géomorphologique (un val perché, par monts et par vaux).

Vallon, vallée évoquent un val pour en parler, apporter un commentaire. Exemple :

La vallée s’étirait sur plusieurs kilomètres.

C’est probablement pour cela que c’est le mot vallée et non val qui est utilisé métaphoriquement dans la phrase suivante de Pougens trouvée dans le littré:

Ce qui fait et fera toujours de ce monde une vallée de larmes, c’est l’insatiable cupidité et l’indomptable orgueil des hommes.