Из крещёной еврейской семьи — её родителям Семёну Яковлевичу Бергману и Августине Карловне Гудзон (родом из Гамбурга) принадлежала в Москве небольшая лавка колониальных товаров. Училась в Санкт-Петербургской консерватории, но не поладила с её директором А. Рубинштейном. Стала брать уроки у Александра Серова. В 1863 они вступили в брак, в 1865 родился их сын Валентин (дочь умерла в младенческом возрасте).
В 1867 издавала вместе с мужем журнал Музыка и театр, он просуществовал один год. В России и за границей познакомилась с Тургеневым, Полиной Виардо, Л. Толстым, Р.Вагнером, Ф.Листом, долгие годы поддерживала дружеские отношения с Репиным (который многим помог учёбе Вал. Серова), М.Антокольским, Шаляпиным, С. И. Мамонтовым. После смерти А.Серова от инфаркта в 1871 Валентина Семёновна завершила его оперу Вражья сила (премьера состоялась в 1875); также издала партитуру оперы Юдифь, собрала и выпустила в свет 4 тома статей мужа о музыке. Отдала много сил музыкальному просвещению, развитию народной культуры; одна из основательниц и почётный член московского Общества содействия устройству общеобразовательных народных развлечений. В связи с её деятельностью в народе была под негласным надзором полиции.
Сестра — педагог Аделаида Семёновна Симонович, вместе с мужем — педиатром Яковом Мироновичем Симоновичем — стояла у истоков дошкольного образования в России.
Автор опер Уриэль Акоста (по драме К.Гуцкова, пост. в 1885 в Большом театре), Мария д’Орваль (не была поставлена, считается утраченной), Мироед (по повести А. Потехина), Илья Муромец (пост. в Москве на частной сцене в 1899 с Шаляпиным в заглавной роли) и др.
Автор ряда статей об оперном искусстве, мемуаров о встречах с Л.Толстым, воспоминаний о муже и сыне.
Сохранились портреты Валентины Серовой работы И.Репина, М.Врубеля.