Об этом человеке исключительной скромности сегодня известно немногое: родилась 15 декабря 1935 года в Оренбурге, окончила Оренбургское медицинское училище Южно-Уральской железной дороги по специальности фельдшер-лаборант, трудилась поначалу медсестрой, а потом более тридцати лет лаборантом-биохимиком в медуправлении Центра управления полетами в Звездном городке.
Валентина Ивановна после трагической гибели мужа способствовала созданию уникального музея, который является одним из крупнейших в России хранилищ документов и артефактов по истории пилотируемой космонавтики. В 1976 году она передала в музей парадный китель, все награды и личные документы своего супруга, специальные выпуски номеров центральных газет и — уникальный номер «Московского комсомольца» от 12–13 апреля 1961 года. Все это позволило детально воссоздать обстановку жизни и работы первого в мире космонавта.
Валентина Ивановна Гагарина награждена орденом Ленина, знаком отличия губернатора Московской области «Благодарю». Постановлением губернатора Московской области от 27.09.2017 ей присвоено звание «Почетный гражданин Московской области».