Валентина Дмитриевна Пономарёва родилась 10 июля 1939 года в Москве в семье профессиональных музыкантов. Её родители были выпускниками Московской консерватории, отец — скрипач, мать — пианистка.
Валентина окончила Хабаровский институт искусств по классу вокала и по классу фортепиано.

Дебютировала как джазовая певица в конце 1960-х годов, пела баллады, традиционные джазовые «эвергрины», выступала со многими ансамблями, работала в джаз-оркестре А.Кролла. Звонкий, необыкновенный голос певицы словно имитировал тембр трубы или флейты, когда она исполняла особо удававшиеся ей композиции в манере скэта.
Певица выступала 10 лет с трио «РОМЭН» , гастролируя во многих странах мира, включая «Метрополитен-опера» Нью-Йорк (1976) и «Мидем-76» Канны (1976). Пономарёва исполняла романсы и джазовые композиции, участвовала в Международных фестивалях: Татеяма, Япония; советского авангардного джаза в Цюрихе (1989); «Войс Овер» в Лондоне, Диссонантен-фестивале в Нидерландах, современной музыки в Хаддерсфилде (1990), «Джазовое лето-91» в Италии (1991) и др.
Пономарёвой доступно всё — и цыганская песня, и жестокий романс, и фри-джаз, и импровизационная музыка. С середины 80-х годов начинают выходить её диски.
Пономарёва принимала активное участие в озвучивании более 20 фильмов. Ее голос звучит за кадром в фильмах «Жестокий романс», «Агония», «Чучело», «Пейзаж в можжевельнике» и др.
Валентина Пономарёва — лауреат всероссийских конкурсов, международного конкурса «МИДЕМ-75», многих джазовых отечественных фестивалей. В 1991 году основала в Москве «Музыкальный театр Валентины Пономаревой».