Родилась 1 августа 1923 г. в Петрограде (впоследствии Ленинград, ныне Санкт-Петербург). Ее отец, Михаил Григорьевич Торсонс, имел шведское происхождение. Он работал бухгалтером на железной дороге. Мать, Екатерина Михайловна Леонтьева, была бухгалтером в больнице.
В детстве посещала занятия в кружке при Ленинградском театре юного зрителя (ныне Театр юных зрителей им. А. А. Брянцева).
По данным ряда источников, в конце 1930-х гг. вся семья сменила шведскую фамилию Торсонс на русскую - Леонтьевы. Впоследствии Алевтина поменяла имя на Валентину.
После начала блокады Ленинграда в ходе Великой Отечественной войны семья осталась в городе. Отец скончался в конце 1941 г. В 1942 г. Валентина Леонтьева вместе с матерью и старшей сестрой Людмилой была эвакуирована из блокадного города по "Дороге жизни". Они проживали в совхозе им. Н. К. Крупской Куйбышевской области (ныне территория пос. Новосёлки Мелекесского района Ульяновской обл.), там же Валентина Леонтьева окончила среднюю школу.
В 1944 г. поступила в Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева (ныне Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева). Через год, оставив учебу в этом вузе, была зачислена в Оперно-драматическую студию им. К. С. Станиславского (ныне Электротеатр "Станиславский", Москва). Окончила ее в 1948 г., выпускница мастерской народного артиста СССР Василия Топоркова.
Профессиональная деятельность
В конце 1940-х - начале 1950-х гг. Валентина Леонтьева была актрисой Тамбовского государственного драматического театра. Участвовала в постановках "Овод" по роману Этель Лилиан Войнич, "Московский характер" по произведению Анатолия Софронова, "Бесприданница" по пьесе Александра Островского, "Роковое наследство" по произведению Льва Шейнина.
В 1953 г., пройдя конкурсный отбор, была принята в Москве на Центральную студию телевидения (с 1957 г. - Центральное телевидение, ЦТ) в качестве помощника режиссера.
С 1954 г. Валентина Леонтьева работала диктором (по ее словам, она стала вторым после Нины Кондратовой представителем этой профессии на советском телевидении).
С середины 1950-х гг. вела просветительскую программу для младших школьников "Умелые руки". Впоследствии в разное время была ведущей детских телепередач "Спокойной ночи, малыши!", "Будильник" и "В гостях у сказки". Юные и взрослые телезрители уважительно называли ее "тетя Валя". Также она вела новогодние "Голубые огоньки", различные праздничные трансляции и др.
С 1972 по 1987 г. Валентина Леонтьева была ведущей цикла художественно-публицистических передач "От всей души" (Первая программа ЦТ). Его сюжеты рассказывали о человеческих судьбах и включали в себя встречи давно разлучившихся родственников и друзей, подготовленные авторами передач.
В 1986 г. Валентина Леонтьева опубликовала книгу "Объяснение в любви. Записки диктора Центрального телевидения".
С 1989 г. работала на телевидении в должности диктора-консультанта.
В середине 1990-х гг. вместе с Игорем Кирилловым непродолжительное время вела информационный блок в рамках передачи "Телескоп" (РТР).
Звания, награды
Народная артистка СССР (1982).
Валентина Леонтьева была награждена орденами "Знак Почета" и Дружбы (1998).
Лауреат Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры 1975 г.
Обладательница премии Московской организации Союза журналистов СССР (1974), премии ТЭФИ в почетной номинации "За личный вклад в развитие отечественного телевидения" (2000).
Последние годы жизни, кончина
С середины 2000-х гг. Валентина Леонтьева проживала у родственников в пос. Новосёлки.
Скончалась 20 мая 2007 г. в пос. Новосёлки на 84-м году жизни. Похоронена на местном кладбище.
Память, признание
С 2007 г. Ульяновский областной театр кукол носит имя Валентины Леонтьевой. В 2008 г. в Ульяновске ей был открыт памятник.
В 2018 г. имя Валентины Леонтьевой было присвоено улице в Останкинском районе Москвы.
В Ульяновске регулярно проводится Международный фестиваль кино- и телепрограмм имени Валентины Леонтьевой "От всей души".
Ее жизни и творчеству посвящены документальные фильмы "Валентина Леонтьева. Жизнь после славы" (2004, режиссер Иван Бобрышев) и "Валентина Леонтьева. Объяснение в любви" (2013, Елена Тульчинская), а также книга "Здравствуйте, тетя Валя!" (2006, составитель Геннадий Дёмочкин).