С Юрием Гагариным познакомилась в Оренбурге, где она закончила медицинское, а он — летное училище. Свадьбу сыграли в 1957 году через два дня после того, как Юрий Гагарин получил диплом с отличием и первые офицерские погоны. В семье родились две дочери. Старшая, Елена Гагарина, работает директором Музея Московского Кремля. Младшая, Галина, стала доктором экономических наук, профессором, заведующей кафедрой национальной и региональной экономики Российского экономического университета им. Г.В.Плеханова. После того, как Юрий Гагарин разбился в авиакатастрофе в 1968 году, Валентина Ивановна больше не вышла замуж. Скромно жила в подмосковном Звездном городке.
Президент России Владимир Путин выразил соболезнование дочерям Валентины Гагариной в связи с кончиной их матери. В телеграмме, размещённой на сайте Кремля, глава государства отметил душевную доброту Валентины Гагариной и подчекркнул, как много она сделала для сбережения памяти о первом космонавте. Валентина Ивановна написала книгу воспоминаний о супруге – «108 минут и вся жизнь».