Родилась в городе Харьков (Украина) в семье одного из первых русских авиаконструкторов и летчиков С. В. Гризодубова. В 1929 г. окончила Пензенский аэроклуб, занималась планерным спортом, работала летчиком-инструктором в Тульской авиационной школе, затем в агитационной эскадрилье имени М. Горького, была начальником Управления международных воздушных линий СССР. Командир экипажа самолета АНТ-37 «Родина» (в составе экипажа П. Д. Осипенко и М. М. Раскова), который 24—25 сентября 1938 г. совершил беспосадочный перелет из Москвы на Дальний Восток, установив международный женский рекорд дальности полета (за 26 часов 29 минут покрыто расстояние в 6450 километров). В Великую Отечественную войну на фронте. В 1942—1944 гг. командир 101-го авиационного полка дальнего действия (позднее 31-й Гвардейский бомбардировочный авиаполк), самолеты которого доставляли войскам боеприпасы, летали в тыл врага к белорусским партизанам, участвовали в Белорусской операции 1944 г. Совершила около 200 боевых вылетов. В 1942—1945 гг. член Чрезвычайной государственной комиссии по установлению и расследованию злодеяний немецко-фашистских захватчиков.  С 1946 г. в гражданской авиации: начальник летно-испытательной станции, директор научно-исследовательского института. Депутат Верховного Совета СССР в 1937 г.

      Награждена орденами: двумя Ленина, Октябрьской Революции, двумя Отечественной войны I степени, Трудового Красного Знамени, Красной Звезды, медалями.

      Похоронена на Новодевичьем кладбище в Москве.

      Именем В. С. Гризодубовой в 2010 г. названа улица в Октябрьском районе.

24—25 сентября 1938 года Гризодубова в качестве командира экипажа вместе с П. Д. Осипенко и М. М. Расковой совершила беспосадочный перелёт из Москвы на Дальний Восток, установив международный женский рекорд дальности полёта (за 26 часов 29 минут покрыто расстояние в 6450 км).

За этот перелёт 2 ноября 1938 года членам экипажа было присвоено звание Героя Советского Союза.  

Гризодубова Валентина Степановна // Герои Советского Союза : краткий биографический словарь : [в 2 т.] / Министерство обороны СССР, Главное управление кадров, Институт военной истории, Центральный архив ; [А. А. Бабаков (руководитель) и др.] ; редколлегия : И. Н. Шкадов (председатель) [и др.]. — Москва : Воениздат, 1987. — Т. 1. — С. 374.

Гризодубова Валентина Степановна // Их именами названы... Улицы Минска : энциклопедический справочник / [редколлегия: В. В. Андриевич (главный редактор) и др.]. — Минск : Беларуская Энцыклапедыя, 2014. — С. 107.

Гризодубова Валентина Степановна // Республика Беларусь: энциклопедия: [в 6 т.] / редколлегия : Г. П. Пашков (главный редактор [и др.]. — Минск : Беларуская энцыклапедыя, 2006. — Т. 3. — С. 212.