Родилась в Харькове. Уже в 2,5 года Валя поднялась в небо на отцовском аэроплане с харьковского аэродрома, привязанная к отцу ремнями. В 14 лет она совершила первый полёт на планере в Коктебеле на слёте планеристов.
После окончания средней школы поступила в Харьковский технологический институт. Параллельно окончила музыкальное училище по классу рояля и была зачислена в консерваторию. 4 ноября 1928 года зачислена в первый набор Харьковского Центрального аэроклуба. Окончила аэроклуб за три месяца. Для продолжения обучения лётному мастерству в Харькове не было возможностей, и Гризодубова, оставив институт, поступила в 1-ю Тульскую лётно-спортивную школу Осоавиахима. В 1929 году поступила в Пензенскую школу лётчиков-инструкторов. С 1930 по 1933 год работала лётчиком-инструктором в Тульском аэроклубе «Добролёт», затем — инструктором лётной школы около подмосковной деревни Тушино.
В 1934-35 годах была лётчиком агитэскадрильи имени М. Горького, базирующейся на Центральном аэродроме в Москве. В октябре 1937 года установила 5 мировых авиационных рекордов на легкомоторных самолётах. 24—25 сентября 1938 года в качестве командира экипажа вместе с П. Д. Осипенко и M. M. Расковой на самолёте «Родина» (АНТ-37) совершила беспосадочный перелёт из Москвы на Дальний Восток, установив международный женский рекорд дальности полёта (за 26 часа 29 минут покрыто расстояние в 6450 км).
Во время Великой Отечественной войны, с марта 1942 года по октябрь 1943 года, командовала 101 Авиаполком Авиации дальнего действия (АДД). На май 1943 года лично совершила около 200 боевых вылетов (в том числе 132 — ночных) на самолёте Ли-2 на бомбардировку вражеских объектов, для доставки боеприпасов и военных грузов на передовую и для поддержки связи с партизанскими отрядами. В 1943 году присвоено звание полковника.
После демобилизации из Советской Армии работала в гражданской авиации заместителем начальника НИИ-17 по лётной части. Её подразделение проводило испытания радиоэлектронной аппаратуры для Военно-воздушных сил и гражданской авиации. Она лично принимала участие в испытательных полётах по испытанию и доводке разрабатываемого в НИИ-17 радиолокационного оборудования.
Умерла 28 апреля 1993 года, похоронена на Новодевичьем кладбище в Москве (участок 11).