Валентин Степанович Варламов родился 15 августа 1934 года в селе Сухая-Терешка Темчинского района Пензенской области. После окончания авиационного училища проходил службу в авиационных частях ПВО.

С 1956 года служил летчиком, а с 1957 года – старшим летчиком 3-го Гвардейского истребительного авиационного полка 15-й Гвардейской истребительной авиационной дивизии.

28 апреля 1960 года Валентин Степанович был отобран для подготовки к космическому полету на корабле «Восток». Но подготовку к полету так и не закончил - во время одной из поездок на реку в результате неосторожного прыжка в воду он получил травму шейного позвонка. Длительное время находился на лечении в госпитале, выздоровел, но от дальнейшей подготовки к полетам пришлось отказаться. 6 марта 1961 года Варламов был отчислен из отряда космонавтов.

В последующие годы работал в Центре подготовки космонавтов: заместитель начальника командного пункта управления космическими полетами; старший инструктор космических тренировок; штурман-испытатель; помощник ведущего инженера.

Валентин Варламов погиб в результате несчастного случая 2 октября 1980 года. Похоронен на кладбище дер. Леониха Щелковского района Московской области.