Родился 21 ноября 1924 года в городе Богородске (с 1930 года — Ногинск) Московской области в семье рабочих. Его отец Василий Васильевич Седов и мать Анна Фоминична работали на Истомкинской текстильной фабрике.
После окончания школы в 1941 году поступил в Московский авиационный институт. В связи с началом Великой Отечественной войны летом 1942 года был зачислен в Гомельское военно-пехотное училище, а в ноябре попал на фронт. Был командиром стрелкового и пулеметного отделений на Сталинградском, Южном, Степном, 1-м Украинском, 1-м Белорусском и Прибалтийском фронтах, участвовал в боях с Японией. За боевые заслуги был награждён орденом Красной Звезды и медалью «За боевые заслуги».
Историей заинтересовался в конце 1945 года в Харбине, когда ему удалось ознакомиться с книгами из библиотек русских эмигрантов, многие из которых не были доступны в СССР.
После демобилизации поступил на исторический факультет МГУ. Окончив обучение на кафедре археологии в 1951 году, принят в аспирантуру Института археологии (в те годы — Института истории материальной культуры).
В 1954 году защитил кандидатскую диссертацию «Кривичи и словене», в 1967 — докторскую диссертацию «Славяне Верхнего Поднепровья и Подвинья». Основные научные интересы ученого лежали в поле изучения этногенеза славян, финно-угров, балтов и их соседей, истории и культуры Киевской Руси.
С 1947 года участвовал во множестве археологических экспедиций (в центральные, западные и северо-западные регионы России, Беларусь), сам занимался организацией раскопок. В 1951—1952 годах проводил раскопки в Перыни под Новгородом и на основании полученных материалов выполнил реконструкцию славянского языческого святилища. В 1971 году руководимая им экспедиция начала раскопки Изборского городища.
Был членом Редакционного Совета журнала «Российская (Советская) археология», ответственным редактором ежегодника «Археологические открытия». Главный редактор (2001-2004) «Кратких сообщений Института археологии». Являлся ответственным редактором более 80 книг по археологии. Автор более 450 научных работ.
Внёс значительный вклад в исследование этногенеза славян. Кроме того, Седов расширил представление о язычестве Древней Руси (см языческое святилище в Перыни), убедительно интерпретировал конские черепа, лежащие под срубами новгородских построек, как остатки жертвоприношений. Отстаивал идею южной локализации Русского каганата в начале IX века, отождествляя с русами носителей волынцевских древностей и эволюционировавших на их основе роменской, боршевской и окской культур. Известен и своей многогранной издательской деятельностью.
Сын — Владимир Валентинович Седов (род. 17 ноября 1960, Москва) — доктор искусствоведения, профессор. Работает в Институте археологии РАН. Занимается историей архитектуры Новгорода и Пскова. В 2011 году выбран членом-корреспондентом РАН.