Родился 3 апреля 1926 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). В 1930 г. его семья переехала в Москву, по месту работы отца - советского профсоюзного деятеля Михаила Фалина.
В 1950 г. Валентин Фалин окончил Московский государственный институт международных отношений Министерства иностранных дел (МИД) СССР по специальности "юрист-международник, референт-переводчик по странам Восточной Европы".
Доктор исторических наук. Тема докторской диссертации - "Конфликты интересов в антигитлеровской коалиции".
В 1940 г. Валентин Фалин поступил в Московскую специальную артиллерийскую школу №5. С началом Великой Отечественной войны вместе с семьями других работников Всесоюзного центрального совета профсоюзов оказался в эвакуации в Пермской области. Учился там в средней школе, одновременно подрабатывал на местной электростанции и на лесоповале.
В 1942 г. Валентин Фалин вернулся в Москву, где поступил на завод "Красный пролетарий" учеником токаря. До 1945 г. работал на этом предприятии слесарем и токарем-инструментальщиком.
После окончания МГИМО в 1950-1951 гг. был сотрудником аппарата Советской контрольной комиссии в Германии (контрольный орган советской военной администрации на территории образованной Германской Демократической Республики).
В 1952-1958 гг. работал старшим референтом, помощником, старшим помощником, заместителем начальника отдела в Комитете информации при МИД СССР (комитет выполнял разведывательные функции наряду с Министерством госбезопасности и военной разведкой, был упразднен в 1958 г.).
В 1953 г. Валентин Фалин вступил в Коммунистическую партию Советского Союза.
В 1958-1959 гг. - референт Отдела информации ЦК КПСС (ликвидирован в 1959 г.), который был создан вместо упраздненного Комитета по информации при МИД СССР.
С 1959 г. почти 20 лет работал в системе МИД СССР. Был советником, заместителем заведующего отделом, с 1961 г. - заведующим 3-м Европейским (германским) отделом, членом коллегии министерства. Специализировался на германской тематике, писал тексты для публичных выступлений руководству МИД и проекты дипломатических нот. С 1961 по 1963 г. готовил тексты речей для главы советского государства Никиты Хрущева, в т. ч. его послания президенту США Джону Кеннеди.
В 1964 г. Валентин Фалин возглавил группу советников министра иностранных дел СССР Андрея Громыко, которая занималась обработкой всех документов, поступивших на имя главы МИД.
В 1966-1968 гг. руководил 2-м Европейским (британским) отделом МИД СССР, в 1968 г. участвовал в подготовке материалов по событиям в Чехословакии.
С 1968 по 1971 г. вновь возглавлял 3-й Европейский (германский) отдел МИД.
В 1971-1978 гг. - чрезвычайный и полномочный посол СССР в Федеративной Республике Германии.
В 1976-1986 гг. - член Центральной ревизионной комиссии КПСС.
С сентября 1978 г. - первый заместитель заведующего отделом международной информации ЦК КПСС. По словам Валентина Фалина, он ушел из отдела в 1982 г. из-за конфликта с генсеком ЦК КПСС Юрием Андроповым. Разногласия с партийным руководством начались еще в 1979 г., когда Фалин выступил простив ввода советских войск в Афганистан. Он был обвинен в превышении полномочий и отчислен из аппарата ЦК.
В 1983-1986 гг. был политическим обозревателем газеты "Известия". С 1985 г. работу в газете совмещал с научной деятельностью в Институте США и Канады Академии наук СССР. В 1986 г. Валентин Фалин подготовил внешнеполитический раздел отчетного доклада ЦК КПСС, с которым на ХХVII съезде партии выступил ее первый секретарь Михаил Горбачев.
В 1986 г. по предложению секретаря ЦК КПСС Александра Яковлева утвержден председателем правления Агентства печати "Новости" (АПН). Занимал пост до 1988 г.
С 1986 г. являлся кандидатом в члены ЦК КПСС, в 1989-1991 гг. - членом ЦК компартии.
Делегат ХХIV (1971), ХХV (1976), ХХVI (1981), ХХVIII (1990) съездов и ХIХ Всесоюзной конференции КПСС (1989).
В 1988-1991 гг. возглавлял международный отдел ЦК КПСС. Сменил на этом посту Анатолия Добрынина.
В 1989-1991 гг. - народный депутат СССР. Получил мандат по квоте Союза советских обществ дружбы и культурных связей с зарубежными странами и Советского общества по культурным связям с соотечественниками за рубежом (общество "Родина"). На III съезде народных депутатов СССР в марте 1990 г. голосовал против отмены однопартийной системы (ст. 6 Конституции СССР, которая утверждала компартию в качестве единственной направляющей и руководящей силы общества).
В июле 1990 г. был избран секретарем ЦК компартии. Одновременно с апреля 1991 г. - председатель комиссии ЦК КПСС по проблемам международной политики.
В 1992 г. принимал участие в качестве свидетеля по делу о запрете КПСС на процессе в Конституционном суде России.
С 1992 г. жил в Германии, куда его пригласил немецкий политик, бывший федеральный министр ФРГ по экономическому сотрудничеству Эгон Бар. Работал профессором истории в Институте изучения проблем мира и безопасности при Гамбургском университете. Сотрудничал также с другими учебными и научно-исследовательскими центрами Германии.
В 2000 г. вернулся в Россию. Читал лекции в МГИМО.
15 октября 2011 г. возглавил экспертный совет международного комитета движения "Интернациональная Россия".
Скончался 22 февраля 2018 г. на 92-м году жизни в Москве. Похоронен на Троекуровском кладбище столицы.
Был награжден тремя орденами Трудового Красного Знамени (1966, 1976, 1981), орденами Октябрьской Революции (1971) и Дружбы народов (1986). Отмечен благодарностью президента РФ (2010).
Лауреат Государственной премии СССР (1982).
Валентин Фалин являлся автором книг "Политические воспоминания" (1993 г. - немецкое издание, 1999 г. - русское), "Второй фронт" (1995 г. - немецкое издание, 2000 г. - русское) и "Конфликты в Кремле" (1997 г. - немецкое издание, 1999 г. - русское).
Жизни и деятельности дипломата посвящен документальный фильм "Тайны кремлевских протоколов. Валентин Фалин" из цикла "Свидетели" (2011, режиссер Максим Файтельберг).
Был женат вторым браком. Супруга - Нина Анатольевна Фалина, работала стенографисткой в ЦК КПСС.