Она появилась на свет 6 февраля 1942 года в подмосковном Калининграде — нынешнем Королёве. Война была в самом разгаре, так что вскоре семья отправилась в эвакуацию в Свердловск. В этом городе прошло детство будущей актрисы. Ещё школьницей она начала заниматься в местном драматическом кружке и впервые вышла на сцену Дома культуры при заводе «Уралэлектротяжмаш». После школы Валентина поступила в Свердловское театральное училище, где начала постигать азы актёрского мастерства.
Талантливую и красивую молодую актрису пригласили пополнить труппу свердловского ТЮЗа. Здесь ей сразу доверили играть жену Пушкина Наталью Гончарову — об этой роли мечтали многие куда более опытные актрисы, так что коллеги восходящую звезду невзлюбили. Когда подруга по училищу предложила Валентине рвануть в Ленинград на прослушивание в студию при БДТ, она без особого сожаления оставила и театр, и роль. Её талант сразу разглядел легендарный Георгий Товстоногов, так что уже вскоре Титовой посчастливилось стать студенткой мастера. Незадолго до выпуска Валентина дебютировала на экране — сыграла небольшую роль стюардессы в социальной драме «Всё остаётся людям».
Во время поездки домой в Свердловск на каникулах Валентина Титова познакомилась с актёром Вячеславом Шалевичем, который приехал в город с театральными гастролями. Закрутился бурный роман, и юную Валю уже не мог остановить ни статус любимого — Шалевич был женат и растил детей, ни то, что жил и работал он в Москве. Вслед за ним Валентина пыталась отправиться в столицу, но ни в московские вузы, ни в театры её тогда не приняли. А наставник Георгий Товстоногов, узнав, где пропадает студентка, отстранил её от работы над спектаклем «104 страницы про любовь».
Желая помочь тайной возлюбленной, Вячеслав Шалевич порекомендовал её кандидатуру режиссёру Владимиру Басову. Тот как раз искал актрису на роль юной Марьи Гавриловны в экранизации пушкинской «Метели» и согласится устроить Титовой пробы. Шалевич тогда и подумать не мог, что Басов влюбится в Валентину до беспамятства, сходу предложит ей руку, сердце и продвижение по карьерной лестнице.
Валентина Титова всегда отличалась тем, что просчитывала все свои действия на шаг вперёд. Актриса поняла, что женатый Шалевич ради неё не уйдёт из семьи, а с Басовым она могла наконец обрести долгожданный собственный угол и новые роли. И хотя режиссёр был старше на 18 лет и казался юной актрисе старым, долговязым и ушастым, она решила следовать не зову сердца, а практическому расчёту.
В браке на свет появились сын Александр и дочь Елизавета. Семья поселилась в пятикомнатной квартире в кремлёвском доме, режиссёр снимал супругу в своих фильмах — «Щит и меч», «Возвращение к жизни», «Опасный поворот», «Нейлон 100%», «Дни Турбиных». Со стороны их союз казался гармоничным, но никто и не догадывался, какие страсти кипели за закрытыми дверями. Басов оказался ревнивым и не слишком щедрым, выдавал в день по три рубля на еду и требовал полного финансового отчёта. С годами усугублялись проблемы режиссёра с алкоголем, в беспамятсве он нередко поднимал на жену руку.
Спустя 14 лет Валентина Титова устала от такой жизни и подала на развод. Поговаривали, что уже тогда у неё был роман с оператором Георгием Рербергом, но сама актриса уверяла, что они сошлись позже. Суд оставил детей с отцом, а сын и дочь затаили обиду на мать, считая её виновной в распаде семьи.
С новым возлюбленным актрисе пришлось поселиться на съёмной квартире. Титова вспоминала, что первые несколько лет их пара жила преимущественно на её средства. Она много снималась в кино — появилась в фильмах «Мимино», «По улицам комод водили...», «Расписание на послезавтра», «Звёздный инспектор», «Однажды, двадцать лет спустя», «Петровка, 38», «Карнавал», «ТАСС уполномочен заявить», «Змеелов».
После распада СССР работы стало значительно меньше, однако про Титову не забыли — режиссёр Евгений Матвеев пригласил актрису в дилогию «Любить по-русски» на роль жены Мухина. В конце 90-х актриса пережила тяжёлую утрату — скончался её муж Георгий Рерберг. Официальной причиной смерти стал сердечный приступ, однако Титова была уверена, что 61-летнего оператора убили приятели ради выгоды. Проводить расследование актриса не стала, ей и без того было тяжело, ведь ушёл её самый близкий человек, с которым она была счастлива двадцать лет.
В новом тысячелетии Валентина Титова периодически появлялась в сериалах. Актрису можно было увидеть в проектах «Евлампия Романова», «Нечаянная радость», «Десантный батя», «Амазонки», «Бесценная любовь», «Макаровы». В последний раз Титова предстала на киноэкране в 2021 году — сыграла Анну Меркулову в военном биографическом фильме «С неба и в бой».
Несмотря на почти сотню ролей в кино, Валентина Титова так и не стала ни народной, ни заслуженной артисткой. По словам актрисы, её дважды выдвигали на звание от Театра Киноактёра, но, чтобы что-то получить, нужно было хлопотать за себя, а она этого никогда не умела. Дети Титовой давно выросли. Сын Александр Басов стал режиссёром, дочь Елизавета была балериной, а затем вышла замуж за грека и переехала в Афины. У Валентины Титовой двое взрослых внуков — Мстислав и Ариадна.
Правда, рассчитывать актрисе приходится только на себя — Титова признаётся, что в последние годы живёт в режиме экономии. Она получает скромную пенсию, половина которой уходит на оплату счетов за квартиру, а чтобы иметь хоть какой-то дополнительный заработок, периодически появляется на телешоу, где рассказывает о своей жизни и вспоминает знаменитых коллег. «Сейчас живу так, как не хотела, но живу… Жизнь — большое испытание. Если ты его пройдёшь, то ты человек», — размышляет актриса.