Валерия Алексеевна Дементьева родилась 7 июня 1907 года в Астрахани. Училась в ГИТИСе, но не окончив, ушла из него в 1926 году.
В 1923—1933 годах играла в Театре имени МГСПС (с 1929 года — Театр имени МОСПС), в 1933 году перешла в МХАТ 2-й, где успела сыграть главную женскую роль в «Часовщике и курице» . После ликвидации МХАТ 2-го с 16 марта 1936 года играла в МХАТе имени Горького.
В 1987 году после раздела — актриса МХАТ имени А. П. Чехова.Умерла 20 октября 1990 года в Москве.