Валентина Илларионовна Талызина родилась 22 января 1935 года в Омске. В 1940 году ее семья переехала в Барановичи (Белоруссия). С началом войны им с трудом удалось эвакуироваться.

В 1958 году окончила Московской Государственный институт театрального искусства (ГИТИС) и была принята в труппу Московского академического театра имени Моссовета. На сцене театра Валентина играла в спектаклях «Дядюшкин сон», «Царство земное». Особенного успеха она добилась, играя в спектаклях режиссера Романа Виктюка (роль Екатерины II в спектакле «Царская охота» – одна из самых любимых, «Уроки музыки»). Во многих спектаклях ее партнером был Леонид Марков.

С 1963 года Талызина снимается в кино. Первой ее ролью была Инна в фильме «Человек, который сомневается». На экране она воплотила более 70 персонажей, как крупных, так и эпизодических.

Лучшими ее работами считаются Алевтина в «Зигзаге удачи», Валя в «Иронии судьбы, или С легким паром!», Людмила Ивановна в «Афоне», Сваха в «Женитьбе», Роза Сергеевна в сериале «Линии судьбы». Голосом Валентины Талызиной говорят мама Федора из «Простоквашино», героиня Барбары Брыльской в «Иронии судьбы».

В 1985 году Валентине Талызиной было присвоено звание Народной артистки РСФСР.