Родилась 23 декабря 1917 г. в гор. Харькове Украинской ССР (ныне - Украина) в семье Василия Васильевича (1893-1966) и Клавдии Михайловны (1896-1979) Половиковых. Отец - инженер гидротехнических сооружений - был репрессирован в 1930-х гг. Мать - актриса, народная артистка РСФСР. Для того чтобы получить допуск к экзаменам в театральный техникум, Валентина исправила метрику (вписала датой рождения 23 декабря 1917 г.). День рождения она отмечала 23 февраля, в День Советской армии.
В шестилетнем возрасте вместе с матерью переехала в Москву. Исполняла детские роли в спектаклях студии Государственного академического Малого театра под руководством Федора Каверина.
В 1933-1934 гг. училась в столице в Центральном техникуме театрального искусства (ныне - Российский институт театрального искусства - ГИТИС).
В 1933-1950 гг. работала в Московском государственном театре им. Ленинского комсомола (до 1938 г. - Театр рабочей молодежи, ныне - Московский государственный театр "Ленком"). В разное время была задействована в спектаклях: "Продолжение следует" по пьесе Александры Бруштейн, "Дальняя дорога" по произведению Алексея Арбузова, "Как закалялась сталь" по роману Николая Островского, "Зыковы" по пьесе Максима Горького, "Сирано де Бержерак" по произведению Эдмона Ростана, "Наш общий друг" по роману Чарльза Диккенса, "Под каштанами Праги" и "Русский вопрос" по пьесам Константина Симонова, "В окнах горит свет" по произведению Леонида Аграновича и др.
В 1941-1942 гг. была актрисой Московского театра драмы под руководством Николая Горчакова. Исполняла роли в постановках "Русские люди" по пьесе Константина Симонова и "Дворянское гнездо" по роману Ивана Тургенева. Во время Великой Отечественной войны также выступала в составе фронтовых бригад.
В 1950-1951 гг. - актриса Государственного академического Малого театра. Выходила на сцену в спектакле "Без вины виноватые" по пьесе Александра Островского.
В 1951-1959 гг. служила в Театре им. Моссовета. Участвовала в постановках: "Рассказ о Турции" по пьесе Назыма Хикмета, "Сомов и другие" по драме Максима Горького, "История одной любви" по пьесе Константина Симонова и др.
В 1959-1964 гг. вновь работала в Московском государственном театре им. Ленинского комсомола. Играла в спектаклях: "Цветы живые" по пьесе Николая Погодина, "Годы странствий" по драме Алексея Арбузова, "Так и будет" по пьесе Константина Симонова и др.
С 1964 г. являлась актрисой Театра-студии киноактера (ныне - Государственный театр киноактера).
Валентина Серова была широко известна в качестве киноактрисы. Дебютной для нее стала роль девушки Лизы в фильме режиссера Абрама Роома "Строгий юноша", снятом в 1935 г. по пьесе Юрия Олеши (вышел на экраны в 1970-х гг.). Среди наиболее популярных киноработ: работница дальневосточного зверосовхоза Катя Иванова и математик Галина Мурашова в комедиях Константина Юдина "Девушка с характером" (1939) и "Сердца четырех" (1941, вышла на экраны в 1945 г.), Лиза Ермолова в военной мелодраме "Жди меня" по произведениям Константина Симонова (1943, режиссеры Борис Иванов и Александр Столпер). В общей сложности снялась в одиннадцати фильмах. Последней киноработой стала роль генеральской вдовы Кукарниковой в драме "Дети Ванюшина" по пьесе Сергея Найденова (1973, Евгений Ташков).
Валентина Серова скончалась 12 декабря 1975 г. в Москве в возрасте 57 лет. Похоронена на столичном Головинском кладбище.
Заслуженная артистка РСФСР (1946).
Была награждена орденами "Знак Почета" (1948) и "За заслуги перед народом" (1946, Югославия), медалями "За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг." (1945), "За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг." (1945), "За освоение целинных земель" (1962).
Лауреат Сталинской премии II степени (1947, за исполнение роли супруги композитора Михаила Глинки в фильме Лео Арнштама "Глинка").
Актриса была трижды замужем. Первый супруг - актер Театра рабочей молодежи Валентин Поляков. Вторым мужем был Герой Советского Союза, военный летчик Анатолий Серов (1910-1939; погиб при выполнении учебного полета, похоронен в некрополе у кремлевской стены). Третий супруг - Герой Социалистического Труда, журналист и литератор Константин Симонов (1915-1979). Серова и Симонов развелись в 1957 г. От второго брака актриса имела сына Анатолия (1939-1975), от третьего - дочь Марию (род. 1950).