Valentina Talyzina è nata ad Omsk il 22 gennaio 1935 da una famiglia di origini tatare. Durante l'infanzia si è trasferita con la famiglia a Baranavičy, nell'attuale Bielorussia, a causa della guerra[1].
Nel 1952 ha studiato presso l'Istituto agrario di Omsk, scuola che ha lasciato soltanto due anni dopo perché ammessa all'Università russa di arti teatrali. Qui ha conseguito una laurea nel 1958. Negli anni successivi ha preso parte al Teatro Mossovet, situato a Mosca[2] e nel 1964 ha aderito al PCUS.
Dopo aver recitato solo in teatro, ha debuttato nel mondo cinematografico nel 1963 grazie al film Čelovek, kotoryj somnevaetsja. Ha però iniziato solo verso la fine del decennio e agli inizi degli anni '70 ad apparire attivamente nel cinema. Alcuni suoi ruoli di successo in questi anni sono stati in Put' v Saturn del 1967, in Zigzag udači del 1968 ed in Stariki-razbojniki del 1971.
Nel 2004, per la sua interpretazione nella serie televisiva Linii sud'by, Valentina Talyzina ha ricevuto il premio Aquila d'oro come migliore attrice televisiva. Nel 2007 ha preso parte nel film Attacco a Leningrado.
Nel 2014 l'attrice ha scritto una lettera in cui mostrava il suo sostegno concernente l'annessione russa della Crimea[4]. In seguito a ciò le è stato vietato di entrare nel territorio ucraino, così come molti altri artisti russi che hanno supportato l'annessione[5][6]. Nel 2023, durante un'intervista, ha affermato di essere d'accordo con l'invasione dell'Ucraina da parte della Russia[7]; nella stessa intervista ha anche rilasciato diverse dichiarazioni antisemite[8].
È stata sposata col grafico Leonid Nepomnjaščij, assieme al quale ha avuto una figlia, l'attrice Ksenija Chajrova. I due si sono separati poco dopo la nascita della figlia[9].