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. В течение нескольких лет они жили в разных городах, в том числе в Париже, Киеве, Санкт-Петербурге. Валентин Серов учился рисованию у немецкого гравера Карла Кеппинга (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, был 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 (1887, "Девочка с персиками"). Картина была высоко оценена публикой, 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. Хотя царская семья посчитала картину незаконченной, с этого времени Серов начал часто писать 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 и др.
В 1890-1900-х гг. Валентин Серов создал ряд портретов деятелей искусства. В их числе итальянских певцов Анджело Мазини и Франческо Таманьо, художников Константина Коровина, Ильи Репина, Исаака Левитана, писателя Николая Лескова, мецената Сергея Третьякова, писателя Максима Горького, оперного певца Федора Шаляпина и др.
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 9 января 1905 г.).
С 1900-х гг. был членом художественного объединения "Мир искусства".
В позднем творчестве Валентина Серова большое 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.
Валентин Серов скончался от сердечного приступа 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.
Был женат на Ольге Федоровне Трубниковой (1865-1927). У супругов было шестеро детей: дочери Ольга (1890-1946) и Наталья (1908-1950), сыновья Александр (1892-1959), Юрий (1894-1929), Михаил (1896-1938) и Антон (1900-1942).