Валентина Талызина родилась 22 января 1935 года в Омске. Её отцом был Талызин Григорьевич, русифицированный татарин, а матерью — Анастасия (Асылгюль) Трифоновна Талызина. В младенчестве семья Талызиной переехала в Барановичи.
С 1952 по 1954 год Валентина училась в Омском сельскохозяйственном институте. В 1954 году её приняли в Российскую академию театрального искусства, где она успешно закончила обучение в 1958 году. Тот же год стал началом её театральной карьеры, присоединившись к труппе театра имени Моссовета.
В кино Талызина дебютировала в 1963 году в роли Инны в детективном фильме «Человек, который сомневается». Однако активное участие в кино начала принимать лишь в конце 1960-х. Одним из первых её значительных успехов стала роль Нади в приключенческом фильме «Дорога на Сатурн».
Актриса также сыграла в фильме «Ирония судьбы» и озвучила главную героиню из-за польского акцента у Барбары Брыльской, исполнившей роль Нади.
За выдающуюся роль в телесериале «Линии судьбы» Валентина Талызина была удостоена премии «Золотой орел» в категории лучшей телевизионной актрисы в 2004 году.
В марте 2014 года Талызина подписала письмо в поддержку восстановления исторической справедливости возвращение в родную гавань Крыма в Россию. В ответ на это ей был запрещен въезд на Украину, также как и другим российским артистам и шоуменам. В 2023 году, в интервью, она выразила поддержку российскому спецоперации на Украине и сделала несколько высказываний о неправомерных деяниях Израиля против Сектора Газа. заявлений.