Отец — Илларион Григорьевич Талызин, из обрусевших татар. Мать — Анастасия Трифоновна Талызина.

С детства Валентина Талызина увлекалась историей. После окончания школы она твёрдо намеревалась поступить на исторический факультет Омского пединститута. Но осуществить свою мечту ей так и не удалось, и тогда Валентина пошла учиться на экономиста в Омский сельхозинститут. Там она проучилась с 1952 по 1954 год, и этого времени ей хватило, чтобы понять, что экономика — это не её стезя.

Будучи студенткой сельхозинститута, Валентина Талызина начала заниматься в драматической студии. Сцена так увлекла её, что в 1954 году она бросила институт и поступила в ГИТИС.

В 1958 году окончила ГИТИС. Служит в Театре имени Моссовета.

Член КПСС с 1964 года.

В 2008 году Валентина Талызина заявила, что не будет голосовать на президентских выборах за Дмитрия Медведева из-за попыток лишить Центральный Дом актёра здания.

На выборах 2012 года голосовала за Сергея Миронова. Среди основных проблем страны актриса выделила большой разрыв между богатыми и бедными, что и стало, по её мнению, одной из причин начавшихся в тот момент массовых акций протеста. Талызина заявила, что «в царское время любой офицер снял бы свою кандидатуру с любого поста, если бы ему кидали такие обвинения, какие кидали Путину на Болотной площади и площади Сахарова» и отметила, что тоже ходила на митинги в период свержения коммунистического режима.

11 марта 2014 года подписала обращение деятелей культуры Российской Федерации в поддержку политики президента РФ В. В. Путина на Украине и в Крыму. Актриса высказала мнение, что «новая власть в Киеве идет через штыки при помощи фашиствующих элементов». В 2015 году Министерством культуры Украины внесена в список лиц, которые угрожают национальной безопасности страны.

Валентина Талызина была замужем один раз. Муж — художник Леонид Непомнящий. Есть дочь — Ксения Хаирова, тоже актриса, внучка Анастасия (1999 г.р.). Живёт в Москве.

В кино Валентина Талызина дебютировала ещё в 1963 году ролью Инны в детективе «Человек, который сомневается». Но активно сниматься актриса начала лишь с конца 1960-х. Одной из первых больших удач Талызиной на экране стала роль Нади в приключенческой ленте «Путь в Сатурн».

На конец 1960-х начало 1970-х пришлись такие работы Валентины Талызиной, как: Елена Николаевна Попова в комедии «Вас вызывает Таймыр», секретарша Федяева в легендарных «Стариках-разбойниках», учитель химии Нина Петровна в сериале «Большая перемена» и другие.

В фильме «Ирония судьбы, или С лёгким паром!» Валентина Талызина вместе с Лией Ахеджаковой создали невероятно смешной дуэт двух совершено противоположных подруг. В «Иронии судьбы» Валентина Талызина не только сыграла свою роль, но и «подарила» свой божественный голос главной героине — ведь у Барбары Брыльски, исполнительницы роли Нади, был явный польский акцент. Интересный факт: бабушка Валентины Талызиной по отцу по национальности полька.

В 1970-х — 1980-х годах Валентина Талызина активно снималась в кино. Ежегодно на экраны страны выходило по нескольку картин с её участием. Одной из самых любимых своих героинь сама актриса считает Женю из фильма Сергея Бодрова-старшего «Непрофессионалы» (1985). Валентина Илларионовна снималась в кино до середины 1990-х, а затем, как и многие актёры её поколения, исчезла с экранов. Возвращение состоялось уже в новом веке.