Валентина Гризодубова — дочь русского авиаконструктора, изобретателя и лётчика Степана Васильевича Гризодубова. Родилась в Харькове 10 мая (по старому стилю 27 апреля) 1909 года (эта подлинная дата рождения установлена сотрудниками музея Гризодубовых в Харькове; официальной же датой рождения считается 31 января (18 января по старому стилю) 1910 года).
Уже в 2,5 года Валентина поднялась в небо на отцовском аэроплане с харьковского аэродрома, привязанная к отцу ремнями. В 14 лет она совершила первый полёт на планере в Коктебеле на слёте планеристов.
После окончания средней школы поступила в Харьковский технологический институт. Параллельно окончила музыкальное училище по классу рояля и была зачислена в консерваторию.
Когда в 1928 году в Харькове открыли школу пилотов гражданской авиации Осоавиахима, поступила в неё в первом наборе и через три месяца окончила её, получив звание пилота. Для продолжения обучения летному мастерству в Харькове не было возможностей, и Гризодубова в 1929 году поступила в Пензенскую школу лётчиков-инструкторов.
Занималась планёрным спортом. С 1930 по 1933 год работала лётчиком-инструктором в Тульском аэроклубе «Добролёт», затем — инструктором лётной школы около подмосковной деревни Тушино.
В 1934-35 годах была лётчиком агитэскадрильи имени М.Горького, базирующейся на Центральном аэродроме в Москве. Работая в эскадрилье, она облетела почти всю страну на различных типах самолетов того времени. Летала над Памиром, Кабардино-Балкарией, Ферганской долиной. В 1939 году назначена начальником Управления международных воздушных линий СССР. Училась в Ленинградском институте инженеров Гражданского воздушного флота.
В октябре 1937 года установила 5 мировых авиационных рекордов на легкомоторных самолётах. 24—25 сентября 1938 года в качестве командира экипажа вместе с П. Д. Осипенко и M. M. Расковой на самолёте «Родина» (АНТ-37) совершила беспосадочный перелёт из Москвы на Дальний Восток, установив международный женский рекорд дальности полёта (за 26 часа 29 минут покрыто расстояние в 6450 км).
В. С. Гризодубова, используя свою известность и знакомства в высших кругах, неоднократно ходатайствовала в защиту людей, пострадавших от репрессий. В частности, вместе с известным лётчиком М. М. Громовым она вступилась за С. П. Королёва, будущего создателя советской космической программы; во многом благодаря их усилиям его перевели из лагеря на Колыме в ЦКБ-29.
В 1941 году вступила в ВКП(б). Возглавляла Антифашистский комитет советских женщин. Член комиссии по расследованию злодеяний немецко-фашистских захватчиков (1942 год).
Во время Великой Отечественной войны, с марта 1942 года по октябрь 1943 года, командовала 101 Авиаполком Авиации дальнего действия (АДД). На май 1943 года лично совершила около 200 боевых вылетов (в том числе 132 — ночных) на самолёте Ли-2 на бомбардировку вражеских объектов, для доставки боеприпасов и военных грузов на передовую и для поддержки связи с партизанскими отрядами. В 1943 году присвоено звание полковника.
При этом, по данным командующего АДД А. Е. Голованова, полк Гризодубовой имел низкую дисциплину среди личного состава и большое количество не связанных с ведением боевых действий лётных происшествий, а сама Гризодубова не раз самовольно оставляла свою часть во время ведения боевых действий. В 1944 году, с целью получения генеральского звания и преобразования её полка в гвардейский, подала в ЦК ВКП(б) жалобу на командующего Авиацией дальнего действия А. Е. Голованова. В результате проведённого расследования жалоба была признана заведомо ложной, после чего Гризодубова была выведена из состава АДД, а её дело было решено передать в военный трибунал (исходя из текста в указанном источнике, дело в трибунал передано не было). Полк же Гризодубовой, под командованием её бывшего заместителя, уже через несколько месяцев был преобразован в 31-й гвардейский бомбардировочный полк.
С 1946 года полковник В. С. Гризодубова — в запасе. После демобилизации из Советской Армии работала в гражданской авиации заместителем начальника НИИ-17 (позднее Институт приборостроения) по лётной части. Её подразделение проводило испытания радиоэлектронной аппаратуры для Военно-воздушных сил и гражданской авиации. Она лично принимала участие в испытательных полётах по испытанию и доводке разрабатываемого в НИИ-17 радиолокационного оборудования.
В 1963 году по личной инициативе Гризодубовой был создан уникальный Научно-исследовательский лётно-испытательный центр (НИЛИЦ), который она и возглавила. В 1972 году Гризодубова вернулась в Институт приборостроения на должность заместителя начальника, где проработала до 1993 года.
Депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва.
Звание Героя Советского Союза присвоено 2 ноября 1938 года. Звание Героя Социалистического Труда было присвоено 6 января 1986 года.
Почётный гражданин города Пенза (1965).
Умерла 28 апреля 1993 года, похоронена на Новодевичьем кладбище в Москве.