Вдова первого космонавта Юрия Алексеевича Гагарина. Окончила Оренбургское медицинское училище. Работала в лаборатории Медицинского управления Центра управления полётами. В 1976 году передала в музей Юрия Гагарина личные вещи мужа, парадный китель, все награды и документы, подарки, спец. выпуски номеров газет «Правда», «Известия», «Красная звезда», «Советская культура», «Литературная газета», «Московский комсомолец» от 12-13 апреля 1961 года.

Участвовала в мероприятиях, посвящённых первому космонавту, встречалась с первыми людьми страны.

В 1981 году Валентина Ивановна написала первую книгу в память о Гагарине — «108 минут и вся жизнь». Неоднократно издавались воспоминания В.И.Гагариной.

Жила в Звёздном городке в Щёлковском районе Московской области, на 4 этаже, в той же квартире, которую получил Гагарин в феврале 1968 года, из окон квартиры виден памятник Гагарину, сжимающему в ладони ромашку.

Награждена Орденом Ленина, Орденом Гагарина Федерации космонавтики России. Почетный гражданин Московской области.

20 марта 2020 г. на Федеральном военном мемориальном кладбище состоялась церемония захоронения Гагариной Валентины Ивановны.