В. В. Владимирова родилась 1 (13) июня 1892 года в Астрахани. Пению обучалась у своей сестры М. В. Владимировой, затем училась в Московской консерватории, где училась у У. А. Мазетти (окончила обучение в 1919 году). Впервые на оперную сцену вышла в 1917 году в оперном театре Зимина.
В 1919 году вместе с Ф. И. Шаляпиным пела в опере «Севильский цирюльник» в саду Эрмитаж. В 1920 году впервые вышла на сцену Большого театра, где исполнила партию Розины («Севильский цирюльник»). Солисткой Большого театра Валерия Владимировна оставалась до 1948 года.
В 1950—1953 годах преподавала в МГК имени П. И. Чайковского.
В. В. Барсова скончалась 13 декабря 1967 года в Сочи. Похоронена на Центральном Успенском кладбище в Сочи.