Валентине Леонтьевой пришлось пережить блокаду Ленинграда, в возрасте 18 лет она пошла в сандружинницы, с тем, чтобы помогать раненым и больным в осаждённом городе. Когда открылась «Дорога жизни», мать и две сестры — уехали из блокадного города. Впоследствии Валентина вспоминала, как маленький сын сестры умер в дороге, и та даже не смогла его по-человечески похоронить: тело ребёнка пришлось закопать в придорожном сугробе.

Училась в химико-технологическом институте, работала в поликлинике. Затем окончила оперно-драматическую студию имени Станиславского при МХАТе (студия В. О. Топоркова), (ныне Московский драматический театр им. К. С. Станиславского), работала в Тамбовском драматическом театре, затем пришла на телевидение, где стала работать помощником режиссёра.

В 1954 году прошла конкурсный отбор на телевидение, став диктором. Однако её дебют в эфире оказался неудачным: молодому диктору доверили прочитать сообщение на новогодней елке в Центральном доме Советской Армии. Валентина так волновалась, что начала заикаться во время прочтения, лицо покраснело. За юную коллегу заступилась диктор Всесоюзного радио Ольга Высоцкая, и Леонтьеву оставили на телевидении.

С 1965 по 1967 год Валентина Михайловна жила в Нью-Йорке с мужем-дипломатом и сыном. По приезде из США, вновь пошла работать на телевидение. Зрители за время отсутствия её не забыли.

За годы своей долголетней работы на телевидении Валентина Михайловна вела детские передачи «В гостях у сказки», «Спокойной ночи, малыши!», «Будильник», «Из ложи театра» (вместе с Игорем Кирилловым), праздничные «Голубые огоньки», поисковую программу «От всей души», а также многие другие любимые и популярные в то время телевизионные программы.

На её детских программах выросло не одно поколение россиян. Миллионы детей ждали передачи «В гостях у сказки» и «Спокойной ночи, малыши!». А сама Валентина Михайловна заслужила почётный титул — тётя Валя Советского Союза.

Пиком её творчества стала передача «От всей души», которая была удостоена Государственной премии. Телепередача вышла в эфир 13 июля 1972 года. Первая ведущая не понравилась начальству, и со второго выпуска программу стала вести уже тогда популярная Валентина Леонтьева. Передача «От всей души», рассказывавшая о людских судьбах, была не менее захватывающей, чем самое интересное кино. Встречи людей после многолетней разлуки, неожиданно оказавшиеся перед телекамерой родственники и друзья, которых разбросала жизнь, собирали перед экраном миллионы телезрителей. С этой передачей Валентина Михайловна объехала 54 города и до самых последних дней помнила всех героев передач.

Валентина Михайловна Леонтьева была первым диктором и единственной диктором—женщиной Центрального телевидения СССР, удостоенной звания Народной артистки СССР. За всю историю Народными артистами СССР стали два диктора — она и Игорь Кириллов.

C 1989 года — диктор-консультант телевидения.

В 1990-е годы наступил сложный период в жизни Валентины Леонтьевой. Все её передачи закрылись, а новых предложений не поступало. Она пыталась самостоятельно возродить программу «От всей души», но все её усилия не давали результата.

В 1996—1998 годах вместе с И. Кирилловым вела передачу «Телескоп».

В середине 1950-х годов за Валентиной Леонтьевой ухаживал молодой грузин по имени Булат. Однако она не приняла его. Спустя несколько лет имя того грузина стало широко известным — это был Булат Окуджава.

Первым мужем Валентины Михайловны стал режиссёр радио Юрий Ришар. Однако брак продлился всего три года.

Второй муж — Юрий Виноградов — дипломат, бывший посол СССР в Индии и сотрудник дипломатической миссии СССР в Нью-Йорке (брак распался в начале 1970-х годов). У них родился сын — Дмитрий Виноградов. Отношения матери с сыном были сложные. Контактов с матерью он не поддерживал.