Polisen i södra Wales sade att händelsen inträffade omkring 17:50 BST på fredag nära Court Road, Barry, och involverade en svart Renault Clio
Barnet fördes till University Hospital of Wales i Cardiff.
Alla med information uppmanas att ringa 101.
Ett 10-årigt barn har drabbats av allvarliga skador efter att ha blivit påkörd av en bil i Glamorgandalen.