Родилась 6 февраля 1942 года в городе Калининграде Московской области. В 1964 году окончила студию при БДТ им. М. Горького в Ленинграде. В юности Валентина Титова дебютировала на сцене Дворца культуры, потом в свердловском Театре юного зрителя, а затем стала актрисой драматического театра: «Был единственный набор в студию при Большом драматическом театре, и я в него попала. Меня притащила приятельница — мы вместе учились в Свердловском театральном училище (1960—1962) и вместе отправились в Ленинград, к Товстоногову. Сама бы я никогда не посмела: мне казалось, что дистанция между мной и этими уникальными, талантливыми людьми, которые работают в БДТ, так велика». В 1970 - 1992 годах — актриса Театра-студии киноактёра в Москве. В Ленинграде она поступила в студию при Большом драматическом театре, которой в то время руководил Георгий Товстоногов. Самые известные свои роли она сыграла в фильмах: «Всё остаётся людям» (1962), «Метель» (1964), «Щит и меч» (1968), «Опасный поворот» (1972), «Дни Турбиных» (1976), «Отец Сергий» (1978), «Петровка, 38» (1979), «Карнавал» (1981), «Завещание профессора Доуэля» (1984), «Женщин обижать не рекомендуется» (2000). В числе последних по времени работ Валентины Титовой — мелодрама Евгения Матвеева «Любить по-русски», криминальная лента Александра Хвана «Умирать легко», сериал «Другая жизнь» режиссёра Елены Райской и комедия Мартироса Фаносяна «Нечаянная радость». Валентина Антиповна снималась у Станислава Ростоцкого, Михаила Швейцера, Льва Кулиджанова, Георгия Данелия, Игоря Таланкина, Юрия Егорова, но чаще других — у Владимира Басова, который был её первым мужем.