Валентина Ананьїна народилася 18 травня 1933 року в Москві. Її батько був інженером-лісівником, а мати — домогосподаркою. У Валентини є старша сестра і двоє зведених братів. Під час німецько-радянської війни Ананьїна перебувала з родиною в евакуації в Нижньому Тагілі, а вітчим був на фронті.
У 1957 році закінчила ВДІК (майстерня Юлія Райзмана). У 1957—1990 рр. — актриса Театру-студії кіноактора. Ананьїна пропрацювала в Театрі кіноактора 43 роки. Найпомітніша театральна роль — Коробочка з «Мертвих душ».
У кіно Валентина Ананьїна дебютувала в 1955 році у фільмах «Вольниця» та «Солдат Іван Бровкін». Головним чином, у кіно грає в епізодах, а не в головних ролях. Продовжує зніматися в тому числі у 2010-х роках, в літньому віці.
Була одружена з кінооператором Телепресторгреклами Анатолієм Андрійовичем Барановим протягом 20 років, чоловік помер у 1979 році.