Родилась 22 января 1935 года в Омске. В пять лет Валентина вместе с родителями переехала в город Барановичи (Белоруссия). Именно там их застала война. Семье чудом удалось попасть в эвакуацию: многие из друзей Талызиных уже на следующий день были расстреляны нацистами.
После окончания школы Валентина решила пойти на исторический факультет: история была ее давней страстью. Однако осуществить свою мечту ей не удалось, поэтому она подала документы в Омский сельхозинститут, где проучилась два года, прежде чем осознала, что сельское хозяйство – это не ее путь. Впрочем, именно в институте Талызина начала заниматься в театральной студии. Подмостки так увлекли ее, что в 1954 году она поехала поступать в ГИТИС. Ее преподавателями были Фаина Раневская, Вера Марецкая, Валентина Серова, Серафима Бирман, Варвара Сошальская. Имена своих наставников Валентина всегда вспоминала с трепетом и благоговением. Первые роли Талызина исполнила на сцене театра Юрия Завадского в спектаклях «Дядюшкин сон» и «Петербургские сновидения».
В 1963 году актриса дебютировала на большом экране в детективном фильме «Человек, который сомневается», а через четыре года отметилась в кинокартинах «Путь в „Сатурн”» и «Конец „Сатурна”». Многим зрителям Валентина запомнилась по фильму Эльдара Рязанова «Зигзаг удачи» (1968). Затем она снялась в комедиях «Старики-разбойники» и «Вас вызывает Таймыр», в драме Марка Осипяна «Иванов катер», экранизации рассказа Бориса Васильева, которая пролежала на полке 15 лет из-за цензурных ограничений.
В культовом новогоднем фильме «Ирония судьбы, или С легким паром!» Талызина вместе с Лией Ахеджаковой создали невероятно забавный дуэт двух совершено разных по характеру и внешности подруг: рослой, задорной Вали и низенькой простушки Тани. Интересно, что Валентина также озвучила главную героиню ленты Надежду, исполнительница которой, Барбара Брыльска, говорила с сильным польским акцентом. Правда, из-за этого между актрисами возник длительный конфликт.
Впоследствии артистка еще не раз занималась озвучкой. Ее голос можно услышать в фильмах «ТАСС уполномочен заявить», «В той области небес», в мюзикле «1-й скорый» (снова героиня Барбары Брыльска), в мультфильмах «Трое из Простоквашино», «Каникулы в Простоквашино» и «Зима в Простоквашино» (мама Дяди Федора)
Пик карьеры актрисы пришелся на 1970-1980 годы. Она снялась в знаменитых фильмах «Афоня» (роль мастера ЖЭКа Людмилы Ивановны), «Женитьба» (Фекла Ивановна), «Гостья из будущего», «После дождичка в четверг», «Уроки французского».
Талызина до сих пор играет в кино и на телевидении. В 2011 году она появилась в проекте «Достоевский», а через год отметилась в мини-сериале Вячеслава Лаврова «Знак истинного пути».
