Родился 19 января 1865 г. в Санкт-Петербурге. Его отец - Александр Николаевич Серов (1820-1871) - был известным композитором и музыкальным критиком. Мать - Валентина Семеновна Бергман (1846-1924) - пианистка, первая женщина-композитор в России.
После смерти отца и отъезда матери в Мюнхен в 1871 г. Валентин Серов был отправлен в имение Никольское (Смоленская губерния) на попечение княжны Наталии Друцкой-Соколинской. Находясь там, увлекся живописью. В 1872 г. переехал к матери в Мюнхен, затем они жили в Париже, Киеве, Санкт-Петербурге. Валентин Серов учился рисованию у немецкого гравера Карла Кёппинга (1873) и русского художника Ильи Репина (1874-1875, 1878-1880), посещал Киевскую рисовальную школу художника Николая Мурашко (1876-1877).
В 1875 г. впервые провел лето в подмосковной усадьбе Абрамцево, принадлежавшей промышленнику Савве Мамонтову. В то время это был один из важнейших центров художественной жизни России. Впоследствии художник часто гостил в этом имении, являлся членом Абрамцевского художественного кружка (существовал с 1878 по 1893 г.), куда также входили известные русские художники Михаил Врубель, Константин Коровин и др. В Абрамцево Серов написал первые известные карандашные портреты (Марии Симонович, Саввы Мамонтова, Татьяны Мамонтовой, Ильи Репина), а также создал знаменитый портрет 12-летней Веры Мамонтовой ("Девочка с персиками", 1887). Картину высоко оценила публика, за нее Серов был удостоен премии Московского общества любителей художеств.
В 1880 г. поступил в Императорскую академию художеств (ИАХ) в Санкт-Петербурге. Не окончив курса, покинул ее в 1885 г. В 1880-х гг. путешествовал по России и Западной Европе.
С 1890 г. Валентин Серов участвовал в выставках Товарищества передвижных художественных выставок ("Товарищество передвижников", крупнейшее российское художественное объединение XIX в.). В 1894 г. был избран его членом (вышел из состава после раскола организации в 1900 г.).
В 1892 г. получил от харьковского дворянства заказ на большую картину, изображающую императора Александра III и его семью. Работа над полотном и этюдами заняла три года (картина "Император Александр III с семьей" не сохранилась). В дальнейшем Серов часто писал представителей императорской фамилии и высшей знати. Среди его работ: портреты великого князя Павла Александровича, Александра III с рапортом в руках, Николая II, членов семьи князей Юсуповых.
В 1890-1900-х гг. Валентин Серов создал ряд портретов деятелей искусства, в том числе художников Константина Коровина, Ильи Репина, Исаака Левитана, писателя Николая Лескова, мецената Сергея Третьякова, писателя Максима Горького, оперного исполнителя Федора Шаляпина, итальянских певцов Анджело Мазини и Франческо Таманьо.
С 1897 по 1909 г. преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества. Его учениками были Павел Кузнецов, Мартирос Сарьян, Кузьма Петров-Водкин, Константин Юон.
В 1898 г. Валентин Серов был удостоен звания академика ИАХ. Вышел из состава действительных членов в знак протеста против "Кровавого воскресенья" - расстрела в Санкт-Петербурге рабочей демонстрации 22 января (9 января по старому стилю) 1905 г.
С 1900-х гг. был членом художественного объединения "Мир искусства".
В позднем творчестве Валентина Серова важное место занимала историческая живопись. В числе его произведений "Выезд Петра II и цесаревны Елизаветы Петровны на охоту" (1900) и "Петр I" (1907).
После поездки в 1907 г. в Грецию создал ряд картин на сюжеты из античной мифологии, в том числе "Похищение Европы" (1910).
Валентин Серов также писал этюды, пейзажи, создавал иллюстрации к книгам, сотрудничал с театрами.
Работы художника находятся в Государственной Третьяковской галерее (Москва), Государственном Русском музее (Санкт-Петербург), Cаратовском государственном художественном музее им. А. Н. Радищева, Омском областном музее изобразительных искусств им. М. А. Врубеля, Национальном художественном музее Белоруссии (Минск), Национальной галерее Армении (Ереван) и др.
Кончина
Валентин Серов скончался 5 декабря (22 ноября по старому стилю) 1911 г. в Москве на 47-м году жизни. Был похоронен на Донском кладбище. Позднее останки перенесены на Новодевичье кладбище столицы.
Семья
Был женат на Ольге Федоровне Трубниковой (1865-1927). Дочери - Ольга (1890-1946) и Наталья (1908-1950), сыновья - Александр (1892-1959), Юрий (1894-1929), Михаил (1896-1938) и Антон (1900-1942).
Память
Персональных выставок художника при жизни не было. В 1914 г. в Москве и Санкт-Петербурге прошли посмертные выставки его работ. В октябре 2015 г. - январе 2016 г. масштабную выставку произведений художника в Государственной Третьяковской галерее посетили 485 тыс. человек. В феврале 2016 г. гендиректор Третьяковской галереи Зельфира Трегулова (занимала пост в 2015-2023 гг.) отметила на пресс-конференции, что "такого никогда не было ни в одной стране на выставке русского художника".
В усадьбе Домотканово (дер. Красная Новь Тверской обл.) расположен Мемориально-художественный музей Валентина Серова (является филиалом Тверской областной картинной галереи). Эта усадьба принадлежала другу художника Владимиру Дервизу, Серов регулярно гостил и работал там с 1886 по 1911 г.
В честь Валентина Серова названы астероид главного пояса 3547 Serov, улицы в Москве, Екатеринбурге и других городах. Его имя носят детские художественные школы в Москве и Твери, центр искусств в гор. Шахты (Ростовская обл.).
В 2002 г. был учрежден Фонд Валентина Серова, занимающийся сохранением творческого наследия художника.
Жизни и творчеству живописца посвящены многочисленные книги и статьи, а также документальный фильм "Валентин Серов" из телевизионного цикла "Передвижники" (2017, режиссер Константин Голенчик).