Валентина Гагарина родилась 15 декабря 1935 года в Оренбурге в многодетной семье. Закончив Оренбургское медицинское училище, работала в лаборатории Медицинского управления Центра управления полетами. До самой пенсии она трудилась медсестрой и лаборантом-химиком.
За Гагарина Валентина вышла замуж 27 октября 1957 года в Оренбурге. У них родились двое детей — Елена и Галина. В доме, где жила семья Валентины, позже был открыт Музей-квартира Гагариных.