Валерія Олексіївна Дементьєва народилася 7 червня 1907 року в Астрахані. Навчалася в ГІТІСі, але не закінчивши, пішла з нього в 1926 році.
У 1923—1933 роках грала в Театрі імені МГСПС (з 1929 року — Театр імені МОСПС), у 1933 році перейшла до МХАТ 2-го, де встигла зіграти головну жіночу роль у виставі «Годинникар та курка». Після ліквідації МХАТ 2-го з 16 березня 1936 року грала у Московському художньому театрі імені Горького. У 1987 році після розділу — актриса МХАТУ імені А. П. Чехова.