В 1943 году Валентин Брылеев поступил в Архитектурно-строительный техникум в Москве. Получив образование, в течение трех лет работал на заводе конструктором. В 1950 году, приняв решение стать актером, Валентин поступил во ВГИК, где до 1955 года учился на курсе Бориса Бибикова и Ольги Пыжовой. Сразу же после получения диплома актер был принят в труппу Театра-студии киноактера, в составе которой участвовал в постановке спектаклей «Горе от ума», «Варвары», «Без вины виноватые», «Директор» и других. Кроме того, Валентин Брылеев принимал активное участие в дубляже фильмов.
Но главным образом Вадим смог себя проявить во время киносъемок. Будучи еще студентом ВГИКа, в 1955 году Брылеев снялся в своем первом серьезном фильме под названием «В квадрате 45» режиссера Юрия Вышинского. В этой шпионской ленте о сотрудниках пожарной части приграничной полосы актер сыграл радиста Пепелова. Следом он появился в роли участкового милиционера в молодежной драме «Сын».
По окончании института Вадим Брылеев мгновенно стал востребованным актером, появившись в таких известных фильмах, как мелодрама «Весна на Заречной улице» в роли Ивана Мигунько и комедия Эльдара Рязанова «Карнавальная ночь», где сыграл Костю. Даже в небольшой роли появившись на экране, Брылеев умел мастерски создать запоминающийся образ. Таковы партизан Ершов в комедии Рязанова «Гусарская баллада», Мубарак в сказке «Волшебная лампа Аладдина», Леший в детском фильме «Веселое волшебство», Фома Куделин в мелодраме «Любовь земная» и работник театра из «12 стульев» Марка Захарова.
Кроме того, Валентина Брылеева можно было увидеть в таких картинах, как «Баллада о солдате» и «Гиперболоид инженера Гарина». В середине 90-х годов актер принимал активное участие в телевизионной программе «Колесо истории», разыгрывая сцены из различных эпох вместе с актерами Александром Пятковым и Владимиром Коппаловым. Одними из последних ролей этого выдающегося актера стали Петрович в «Шукшинских рассказах» и электрик в сериале «Тотализатор».
