Валентина Александровна Осеева родилась 28 апреля 1902 года в Киеве. Она была младшим ребенком в семье: вместе с ней росли две старшие сестры. Отец, Александр Дмитриевич, работал инженером, мать, Ариадна Леонидовна, была связана с газетной корректурой; родители участвовали в революционной деятельности, поэтому семья часто переезжала.
Одним из мест детства для будущей писательницы стала Барбошина поляна под Самарой, на берегу Волги. Там она проводила много времени у реки, общалась с местными ребятами, рыбаками и портовыми грузчиками. Учиться Осеева начала в киевской гимназии, а заканчивала школу уже в Житомире.
В юности она мечтала о театре, поступила на драматический факультет Киевского института имени Лысенко, но из-за переезда семьи в Москву, а затем в Солнечногорск оставила учебу и актерскую мечту. Позднее ее путь сложился вокруг педагогики и литературы для детей.
Осеева писала рассказы и повести на русском языке.
В 1952 году писательница получила Сталинскую премию третьей степени.