Её мать, Клавдия Половикова, была известной провинциальной актрисой. Наверное, от неё-то и передалась маленькой Вале любовь к театру. Когда ей исполнилось 6 лет, они с матерью переехали в Москву. А в 8 лет девочка вышла на сцену студии Малого театра в спектакле "Настанет время". Её дебютом была роль мальчика по имени Давид – сына главной героини спектакля, которую играла её мать. С этого момента Валя буквально заболела театром: из-за него она бросила школу и в 14 лет поступила в Центральный техникум театрального искусства.

Училась у своей матери – Клавдии Половиковой и в Центральном техникуме театрального искусства (1933-1934).
В 1933-1941 и в 1943-1950 годах — актриса Центрального ТРАМа (с 1938 года — театр имени Ленинского комсомола).
В 1941-1943 годах — актриса Московского театра драмы под руководством Н.М. Горчакова.
В 1950-1951 годах — актриса Малого академического театра.
В 1951-1959 годах — актриса Московского театра имени Моссовета.
В 1959-1964 годах — вновь актриса театра имени Ленинского комсомола.
В 1964-1975 года — актриса Театра-студии киноактёра.

Актрису Валентину Серову звезду кино 30-40-х годов 20-го века, называли третьей блондинкой Советского Союза. Тогда на кинематографическом небосклоне царили светловолосые Любовь Орлова и Марина Ладынина. Между тем, Серова отличалась от первых двух чрезвычайно. Она создала на экране новый тип молодой, очаровательной, влекущей к себе веселой девушки. У Серовой было красивое, выразительное лицо, юмор, естественность. Элегантная, зажигательная, Женщина в высоком смысле этого слова...

3 мая 1938 года Валентина познакомилась с лётчиком-испытателем, героем гражданской войны в Испании, Героем Советского Союза Анатолием Константиновичем Серовым (20.03.1910–11.05.1939). Это была любовь с первого взгляда, уже на третий день Анатолий сделал актрисе предложение. Они расписались 11 мая, через восемь дней после знакомства. Это была красивая, звёздная, счастливая пара, обласканная самим Иосифом Сталиным.
В это же время Валентина снялась в фильме "Девушка с характером" и моментально стала популярной: длинные очереди в кинотеатрах, цветы, автографы, всеобщее обожание. Но судьба уже приготовила ей удар. При совершении испытательных полётов на самолёте «УТИ-4» Анатолий трагически погиб 11 мая 1939 года в день годовщины их свадьбы. А через четыре месяца 11 сентября Валентина родила сына Толю, внешне очень похожего на отца.

У талантливой и красивой актрисы всегда было много поклонников и воздыхателей. В 1940 году их ряды пополнил 25-летний поэт и драматург Константин Михайлович Симонов (28.11.1915–28.08.1979). Он не пропускал ни одного спектакля с участием Серовой, толкался возле служебного входа, писал ей записки с просьбой о встрече. За их любовным романом следила вся страна. Зимой 1941 года на страницах "Правды" было опубликовано тут же ставшее знаменитым стихотворение "Жди меня" с посвящением – "В.С.". А в 1942 году вышел в свет сборник стихов Симонова "С тобой и без тебя" с посвящением – "Валентине Васильевне Серовой".
Свадьба с Симоновым летом 1943 года во многом изменила её жизнь. Он был любимцем Сталина, одним из руководителей Союза советских писателей. И хотя актриса не испытывала большой любви к Симонову, период жизни Серовой, когда она была вместе с ним, пожалуй, был для неё самым счастливым и спокойным. Она много снималась в кино. А фильм "Сердца четырёх", где с Серовой играли Людмила Целиковская, Евгений Самойлов и Павел Шпрингфельд, сделал её народной любимицей.
Она много выступала с концертами. Однажды в одном из госпиталей, где на излечении находился высший комсостав, её попросили выступить в отдельной палате. Она пришла туда и увидела бледное, исхудавшее, умное, красивое лицо, и на нём – огромные синие глаза, в которых было нетерпеливое и напряжённое ожидание. Это был маршал Константин Рокоссовский. Они долго разговаривали, и когда Серова вернулась домой, она тут же заявила Симонову, что влюбилась. Это был короткий, но очень бурный роман. Спокойной семейной жизни настал конец, тем более, что Симонов, недолюбливавший сына актрисы от первого брака, потребовал, чтобы тот жил отдельно.
Разлука с сыном, разрыв с Рокоссовским, (по слухам, маршала заставили прекратить всякие отношения со знаменитой актрисой) – всё это приводило Серову в состояние отчаяния. Неожиданно для всех она начала выпивать и остановиться уже не могла. "Она не умела терять", – сказала о Серовой её дочь Мария.
Последний успех отгремел для Серовой в 1946 году. Актриса одновременно была удостоена Сталинской премии и звания заслуженной артистки РСФСР за участие в фильме "Глинка" (правда настоящим творческим взлетом эту маленькую роль назвать нельзя).
По воспоминаниям И. Макаровой: "1946 год еще больше упрочил ее славу и положение среди первых советских звезд... Летом она побывала с Симоновым в Париже. У нее есть дом в Переделкине и роскошная квартира на улице Горького, где жизнь поставлена на широкую ногу - две домработницы, серебристый трофейный "Виллис" с открытым верхом, который она водит сама, шумные застолья, которые собирают "всю Москву". Ее имя и союз с Симоновым, как и полагается, окружены молвой, разноречивыми слухами, сплетнями. Оба они слишком заметные и яркие люди, чтобы оставаться в тени. Говорят, что он влюблен в нее уже не так, как прежде. Говорят, что у нее были романы и он об этом знает..."
В 1950 году у Серовой и Симонова родилась дочь Маша. И снова гримаса судьбы: дочь родилась 11 мая – в день первого бракосочетания и гибели Анатолия Серова. В январе 1957 года Валентина и Константин Симонов расстались.
Дальше начиналась трагедия – после развода - безработица, болезни. Серову забывали, предавали, игнорировали. Практически её карьера как актрисы завершилась в 1950-е годы. За двадцать лет она снялась всего лишь в пяти фильмах, причём в эпизодах.
Валентина Васильевна осталась совершенно одна. У неё забрали дочь, девочка воспитывалась у бабушки, и Клавдия Половикова даже судилась с Серовой из-за внучки. В 1966 году умер её отец, единственный человек, с которым у неё были хорошие отношения.
Серова рано постарела. Последние годы её жизни ничем не напоминали о том, что когда-то эта всеми брошенная женщина принадлежала к элите. Все те люди, кто пил за её здоровье в хлебосольном симоновском доме, теперь отвернулись от неё. Она узнала и безработицу, и нужду, и унижения. Её сын, Анатолий, был такой же алкоголик, как и мать. Он скончался за полгода до неё в июне 1975 года. Затем настал черёд и самой Серовой.

Валентина Васильевна ушла из жизни 11 декабря 1975 года. Она умерла одна, в пустой малогабаритной квартирке в центре Москвы, сутки, пролежав на полу. Смерть актрисы наступила от острой сердечной недостаточности, усугублённой ударом затылком об пол. Серова в тот день был пьяна, и упала на кухне, когда шла в комнату.
Ни некрологов, ни статей в прессе – лишь коротенькое извещение в газете "Вечерняя Москва" за 13 декабря 1975 года. Так ушла из жизни одна из самых знаменитых женщин конца 30-х и 40-х годов 20-го века.
Побывавшая на похоронах актрисы Л. Пашкова оставила об этом горькие воспоминания: "Поглядела на умершую, и сердце сжалось от боли. Неужто это все, что осталось от самой женственной актрисы нашего театра и кино? Ком застрял в горле. Вынести это долго не могла. Положила цветы и ушла из театра. Часа три ходила по Москве и плакала..."
Похоронена актриса на 25-м участке Головинского кладбища Москвы рядом с отцом.