Валентина Илларионовна родилась 22.01.1935 года в Омске. В 1940-м году семья актрисы перебралась жить в Белоруссию. Но вскоре, началась война и семье с огромным трудом, удалось эвакуироваться в Сибирь. После войны Валентина с успехом окончила Московский Театральный Институт и сразу же была распределена в труппу театра Моссовета. Первыми заметными ролями молодой актрисы были, роли в постановках: «Дядюшкин сон» и «Царство земное». Большого успеха и признания актриса добилась, играя в постановках, выдающегося режиссера, Романа Виктюка. Так в «Царской охоте» она сыграла роль императрицы Екатерины Великой. Это одна из самых любимых ролей актрисы. Во многих постановках и мюзиклах партнером Валентины Илларионовны был Леонид Марков. В кино актриса стала сниматься с 1963-го года, первым её фильмом, была картина, «Человек который сомневается». Всего актриса снялась в семидесяти фильмах, она снималась и в главных ролях, и в эпизодических. Лучшими её работами считаются роли в фильмах: «Зигзаг удачи», «Афоня», «После дождичка в четверг», «Гений» и других. Валентина Талызина озвучила маму Федора из мультфильма «Простоквашино», кроме того, Надя из «Иронии судьбы…», так же говорит голосом Талызиной. В 1985 году актрисе присуждено звание Народной артистки РСФСР.
