Валентина Гризодубова родилась 31 января 1910 года в городе Харькове (Украина), в семье авиаконструктора и изобретателя Степана Васильевича Гризодубова. В 1929 году окончила Пензенский аэроклуб. Занималась планерным спортом, работала лётчиком — инструктором в Тульской авиационной школе.
В 1934 — 1935 годах была лётчиком агитэскадрильи имени Максима Горького на Центральном аэродроме в Москве. С 1936 года в рядах Красной Армии.
В 1937 году на самолётах УТ-1, УТ-2 и АИР-12 установила 5 мировых авиационных рекордов высоты, скорости и дальности полёта.
24 — 25 сентября 1938 года в качестве командира экипажа вместе с П. Д. Осипенко и М. М. Расковой на самолёте «Родина» совершила беспосадочный перелёт из Москвы на Дальний Восток, установив мировой женский авиационный рекорд дальности полёта.
У Валентины Гризодубовой были особые методики, как побеждать страх. Обучая будущих летчиков, она могла, например, вылезти со своего инструкторского места на крыло, доказывая ученику – он справится! Учила она смелости и в боевой обстановке.
В 1942 году полк, который она создала и которым командовала, доставлял грузы в осаждённый немцами Ленинград. Несколько экипажей погибло, пилоты были подавлены регулярными потерями. Один даже не мог заставить себя взлететь. Валентина Гризодубова должна была отдать его под трибунал, но поступила иначе – взяла труса в свой экипаж…
Героических эпизодов из боевой биографии Валентины Степановны Гризодубовой можно привести немало. Много сил и энергии вложила эта женщина в боевую работу полка. Были у нее и волнения, часы нелёгких раздумий. Немало трудностей отпустила ей жизнь: очень сложно отвечать за людей, воспитывать их, вести в бой.
Но подлинное счастье испытывала Валентина Степановна, когда видела, как стойко и самоотверженно бились с фашистами экипажи её прославленного в боях авиационного полка.