Валентина Серова родилась в Харькове 23 декабря 1917 или 10 февраля 1919 года. Мать — актриса Клавдия Половикова, урождённая Диденко; отец — Василий Половиков (правильнее — Половык), инженер-гидролог, был репрессирован. До школы Валентина воспитывалась в семье деда и бабки на хуторе Пасуньки у деревни Валки. Когда ей исполнилось 6 лет, они с матерью переехали в Москву. А в десять лет девочка вышла на сцену студии Малого театра в спектакле «Настанет время» по драме Р. Роллана. Её дебютом была роль мальчика по имени Давид — сына главной героини спектакля, которую играла её мать. Впоследствии Валентина училась актёрской профессии у своей матери в Центральном техникуме театрального искусства, в 1933—1934 гг. Так как в техникум принимали только с 16 лет, она подчистила свою метрику, исправив день рождения на 23 декабря 1917 года. С тех пор именно эта дата стала считаться официальным днём рождения Валентины Серовой.
Профессиональную карьеру Серова начала на подмостках Центрального ТРАМ (ныне театр им. Ленинского комсомола), где работала с 1933 по 1941 гг., 1943—1950, 1959—1964. Первая роль в этом театре — Любовь Гордеевна в пьесе Островского «Бедность не порок». Дебют в кино — роль Груни Корнаковой в детстве («Груня Корнакова», 1934 г.). Однако, впоследствии данный эпизод в фильм не вошёл.
11 мая 1938 года Валентина Серова вышла замуж за прославленного лётчика-испытателя, героя гражданской войны в Испании, Анатолия Серова. Однако их совместная жизнь продлилась недолго: 11 мая 1939 года при совершении испытательных полётов Анатолий Серов разбился. А в сентябре того же года Серова родила сына, которого в честь погибшего отца назвали Анатолием.
Вторым мужем актрисы стал писатель Константин Симонов. Однако совместная жизнь пары не заладилась. Константин, у которого не складывались отношения с Анатолием Серовым, сыном актрисы от первого брака, настоял на отправке мальчика в интернат за Урал, хотя родственники погибшего Анатолия Серова просили отдать Толика им. Жизнь Анатолия Серова сложилась трагично, он попал в колонию, и вернулся в Москву тяжелым алкоголиком, после чего вскоре умер.
Во время войны у Валентины Серовой был роман с маршалом Рокоссовским (слухи). Отношения между Симоновым и Валентиной Серовой продолжали ухудшаться, даже рождение вскоре после войны дочери Маши, их общего ребенка, ничего не изменило в лучшую сторону; в конце концов в 1957 они расстались. В результате всего происшедшего Серова стала злоупотреблять алкоголем. Ее карьера как артистки постепенно сошла на нет; в театре-студии Киноактера роли Серовой перестали предлагать.
Валентина Серова была найдена мертвой в своей разворованной московской квартире, из которой спаивающие её проходимцы вынесли всё, что только поддавалось переноске. Смерть произошла при невыясненных обстоятельствах в ночь с 11 на 12 декабря 1975 года. Симонов прислал ко гробу 58 розовых роз. Похоронена на 10-м участке Головинского кладбища рядом с отцом, Василием Половиковым.
Мужья и дети: