Валентина Сперантова родилась 24 февраля 1904 года в городе Зарайске в Рязанской губернии (сейчас – Московская область).
Ее мама, Матрена Федосеевна, была домохозяйкой, а отец служил секретарем уездного Съезда. Всего в семействе Сперантовых было девять детей. Пытаясь прокормить многочисленную семью, отец Валентины подорвал здоровье, и умер, когда Валентине было всего десять лет. С этого времени на нее легли домашние хлопоты и заботы о младших братьях и сестрах.

Племянница Валентины Сперантовой, актриса Елена Миллиоти позже рассказывала: «Семья была дружная, старшие заботились о младших, каждый чем-то помогал дому. Все девочки шили, вязали, вышивали. Вокруг дома рос большой сад. Каждый имел свое дерево, которое он посадил и за которым ухаживал. Под опекой тети Вали была груша «виргулек» «Виргулек» приносил такой большой урожай, что запасов хватало на зиму. Сушеные груши распаривали в печи и получившееся лакомство – «глеки» – уплетали за обе щеки лютыми морозными вечерами».

Театр занимал огромное место в жизни Валентины с самого детства. В семье Сперантовых часто устраивались любительские представления. Импровизированные подмостки сооружались в саду под старым деревом, семейный театр вмещал в себя несколько десятков человек, которые устраивались на скамейках и табуретках.

Маленькая Валентина с самых ранних лет помогала готовить спектакли, рисовала декорации, шила костюмы, а когда подросла – начала активно участвовать в семейных представлениях. Впервые на сцену семейного театра Сперантовых Валя вышла в шестилетнем возрасте.

В пьесе «Дочь извозчика» ей досталась небольшая роль без слов. Почти все следующие персонажи, которых играла Валентина в домашних постановках, были мальчишки. Именно это амплуа позже стало главным в актерской карьере Сперантовой.
Уже в раннем детстве Валентина впервые сыграла и на настоящей театральной сцене. Известный в Зарайске скульптор Анна Голубкина руководила небольшим общедоступным театром. Валина тетя, сестра матери, играла в этом театре, и когда для одного из спектаклей понадобился ребенок, она посоветовала обратиться к семье Сперантовых.

Для роли была выбрана именно Валя. Задача у нее была совсем простая — требовалось взять пряник, откусить его на сцене и показать публике. Много лет спустя актриса вспоминала этот эпизод своего детства: из самого спектакля она помнила только тетушкины наставления и огни рампы, зато домой ее везли на извозчике, как настоящую актрису.

Во время учебы в гимназии активная и инициативная Валентина организовала собственный драматический кружок. В одной из постановок кружка, водевиле «Танцующий кавалер», никто из девочек не захотел изображать старика. Мужская роль досталась Вале Сперантовой, и была исполнена ею блестяще. Спектакль «Танцующий кавалер» имел успех — на нем побывали актеры Зарайского драматического театра. Игра Валентины их впечатлила, и ее, еще юную школьницу, пригласили во взрослую театральную труппу на роль Золушки.

Во время учебы Сперантова подвергла собственное здоровье серьезному риску. В то время бытовало мнение о вреде аппендикса, поэтому удалить его стремились все, даже не имея на то медицинских показаний. Люди тысячами ложились на хирургический стол, не осталась в стороне и Валентина. Она решилась на операцию, при этом в качестве хирурга выбрала знакомого, совсем молодого и неопытного врача, обрадованного возможности попрактиковаться.

Операция прошла не слишком удачно, и после нее в кишечнике у Сперантовой осталось множество спаек. Сильные боли в животе, доводившие ее до обмороков, до невозможности пошевелиться, мучили Валентину до конца 1950-х годов, пока она не прошла курс лечения в Карловых Варах.
Ее театральная карьера началась в детских театрах.

Сразу после окончания театрального техникума она попала на работу в Первый государственный педагогический театр, позже переименованный в Горцентюз. Когда юная Сперантова, только что получившая образование, пришла пробоваться в труппу, ее постигло разочарование: в театр набирали только актеров, актрис было в избытке, их даже не хотели допускать к пробам. «Она была щупленькая, худенькая, и сначала ее даже не хотели принимать в театральное училище. Говорили: «На что она годиться? Для героини она слишком неказиста», – рассказывала племянница актрисы Елена Милиотти.

Но девушка решилась на отчаянную попытку, и вечером того же дня, после того, как Сперантова прошла пробы, главный режиссер Юрий Михайлович Бонди рассказывал коллегам и друзьям, что открыл в лице Валентины блестящее необыкновенное дарование.

Главным театральным амплуа Валентины Сперантовой стали роли травести.В самых разных спектаклях актриса сыграла множество мальчишек, за что ее прозвали «главным мальчишкой Советского Союза» и «Ермоловой детского театра».

За свою театральную историю Валентина Сперантова сыграла множество мальчишеских характеров — Егорку, Геальмара, Степка, Тома Кенти, Ганьку, Ваню Солнцева, Шуру Бадейкина, Кая, Митю, Володю Дубинина и многие другие роли.

Главной темой творчества Сперантовой было рождение и формирование героического в ребенке. Он не обязательно должен был совершить подвиг, но он всегда должен был быть готов его совершить. «Такая сдержанность. Она не пускала себя, не пускала на эмоцию или не хотела пускать. Понимаете, переживать должен был я в зрительном зале, а она – нет. Вот такая была сильная актриса», – вспоминал Виктор Лакирев.

В 1938 году на премьеру спектакля по пьесе Марка Твена «Том Кенти» попал драматург Бернард Шоу. После представления за кулисами он обнял и дружески потрепал по щеке чудесного «мальчика», сыгравшего главную роль. «Сэр! Это же дама, и у нее есть дочь!» – этой репликой Шоу был сражен. Великий драматург преклонил перед Сперантовой колени и поцеловал ей руку.

С середины 1930-х годов, на пике своей славы, Валентина Сперантова стала работать на Всесоюзном радио, озвучивая роли в детских спектаклях. В это время в ее послужном списке появились роли Тимура в «Тимуре и его команде», Иртыша в «Бумбараше», Димки из «Р. В. С.», а в «Мальчише-Кибальчише» она одна сыграла в радиоспектакле все роли, начиная от Мальчиша-Кибальчиша и заканчивая Главным Буржуином.

Ее работа на радио продолжилась и после войны. С 1945 года, когда в эфир стала выходить очень популярная передача для детей «Клуб знаменитых капитанов», Сперантова играла в ней роль Дика Сэнда из «Пятнадцатилетнего капитана». В те годы Сперантова была чуть ли не самой известной и всенародно любимой актрисой на радио, на ее имя и на имена ее персонажей шли сотни и тысячи писем от благодарных слушателей самых разных возрастов. «Делаешь уроки, радио включаешь, и первое там – «Клуб знаменитых капитанов» и голос Валентины Александровны Сперантовой. Это был такой голос родной, узнаваемый», – рассказывал ученик Сперантовой Геннадий Сайфулин.

Семейная жизнь Валентины Сперантовой складывалась не так гладко, как ее карьера. Первый раз она вышла замуж в конце 1920-х годов за Николая Гусельникова, который в то время работал на строительстве Днепрогэс. В этом браке у Сперантовой родилась дочка, получившая имя Оксана. Семья просуществовала недолго: в середине 1930-х годов Гусельников был направлен на строительство в Караганду.

Сперантова не смогла оставить любимую работу, Николай уехал один, и встретил другую женщину. Несколько лет Сперантова ждала мужа, но, впоследствии оформила развод и вышла замуж за бывшего директора театра Мейерхольда Михаила Никонова. В 1940 году у Сперантовой родилась дочь Наталья.
Во время войны Сперантова оставила театральную деятельность. Отправив детей в эвакуацию, в Пермскую область, Валентина Александровна с мужем стали участвовать во фронтовых бригадах, а в 1943 году ее дети вернулись в Москву, где семье удалось получить отдельное жилье на Садовом кольце.

До конца 1950-х годов актриса сыграла несколько очень серьезных ролей. На ее счету были роли Коробочки из «Мертвых душ», миссис Корни из «Оливера Твиста», Кукушкиной в «Доходном месте», миссис Гарпер в «Томе Сойере» и Ольги Шиловой в «Неравном бою». Однако, несмотря на переход во «взрослые» амплуа, Сперантова не оставила без внимания свою главную аудиторию – детей.

С конца 1940-х годов она активно занималась озвучанием мульфильмов. Ее голос звучал в мультфильмах «Конёк-Горбунок», «Полет на луну», «Золотая антилопа», «Заколдованный мальчик», «Сказка о Мальчише-Кибальчише», «Дядя Степа», «Человечка нарисовал я» и многих других анимационных фильмах.
Несмотря на невероятную популярность Сперантовой в театре, в кино ее долго не приглашали. Дебютировала в кино она в лишь 1953 году, сыграв роль бабушки Симы в киноленте «Алеша Птицын вырабатывает характер», после чего не снималась семь лет.

В 1960 году режиссер Анатолий Эфрос занялся экранизацией пьесы Виктора Розова «В поисках радости», которую поставил тремя годами раньше в Центральном детском театре. В обеих вариантах постановки роль матери главного героя, Клавдии Савиной, исполнила Валентина Сперантова. Эта роль принесла ей всесоюзную славу и стала настоящим триумфом Сперантовой как киноактрисы. В 1960-е годы Валентина Александровна снялась в десятке лент, среди которых «Два билета на дневной сеанс», «Случай из следственной практики» и «Служили два товарища».

В конце 1960-х годов у актрисы умер муж, с которым они прожили вместе более тридцати лет, а в 1970 году Сперантова получила звание народной артистки СССР. Следующие десять лет она много снималась в кино, на ее счету было 13 киноработ. Самыми известными из них стали роли Сперантовой в фильмах «Большая перемена» в 1973 году, «Три дня в Москве» в 1975 году и «Длинное длинное дело» в 1976 году. Зрителям ее работы очень нравились. После премьеры фильма «Большая перемена» (История создания фильма) Валентине Александровне, сыгравшей уборщицу тетю Глашу пришло письмо: «Вы очень похожи на мою родную бабушку, которой у меня нет».

В 70-х у Валентины Сперантовой появились проблемы с сердцем и ей посоветовали снизить нагрузки в театре. Но характер актрисы не позволял ей сидеть сложа руки. Она продолжала играть в театре, хоть и реже, преподавала в Театральном училище имени М. Щепкина, работала на радио, которому отдала более 40 лет. В декабре 1977 года, после очередного сердечного приступа Сперантову госпитализировали, а 7 января 1978 года актрисы не стало. Её похоронили в Москве на Новодевичьем кладбище рядом со вторым мужем Михаилом Семеновичем Никоновым, который скончался ещё в 60-ые на 55 году жизни.