A közép-oroszországi Bolsoje Maszlennyikovo faluban látta meg a napvilágot, anyja textilgyári munkásként, apja a kolhoz traktorosaként kereste meg a család kenyerét. Apja 1939-ben elesett a finn-orosz háborúban, Valentyina tizenhat éves korától szintén a közeli textilgyárban vállalt munkát, s levelező úton szerzett technikusi képesítést. Tevékenyen részt vett a kommunista ifjúsági mozgalomban, szenvedélye a repülés volt, száznál több ejtőernyős ugrást hajtott végre.

A Szovjetunió ekkoriban nyerésre állt a hidegháború alatt kibontakozott űrversenyben, egy lépéssel mindig az Egyesült Államok előtt járt. A Szergej Koroljov vezette program eredményeként 1957-ben ők lőtték fel az első műholdat, majd röviddel azután az űrbe juttatták az első élőlényt, Lajka kutyát, és az első ember is szovjet állampolgár, Jurij Gagarin volt, aki 1961-ben a kozmoszban járt. Koroljov a Vosztok-program utolsó attrakciójának egy nő világűrbe juttatását szánta. Az 1962-ben meghirdetett toborzásra négyszáz fiatal lány jelentkezett, a kiírás szerint mindannyian 170 centiméternél alacsonyabbak, 70 kilónál könnyebbek és tapasztalt ejtőernyősök voltak. Köztük volt Tyereskova is, akit - felsőbb utasításra - a gyári kollektíva is támogatott.

Négy másik jelölt társaságában került be a kiképzési fázisba, ellene az szólt, hogy repülőgép-vezetési gyakorlattal nem rendelkezett, de ennél súlyosabban esett a latba proletár származása, valamint az, hogy apja a Vörös Hadsereg katonájaként halt hősi halált. Mellette "lobbizott" a harmadik szovjet asztronauta, Andrijan Nyikolajev, akihez ekkor már gyengéd szálak fűzték, de a végső döntést ezúttal is - miként annak idején Gagarin kiválasztásakor is - a párt főtitkára, Nyikita Hruscsov hozta meg.

Az eredeti tervek szerint gyors egymásutánban két nőt lőttek volna a világűrbe, Tyereskova után a tapasztalt vadászrepülő Valentyina Ponomarjova startolt volna, de végül elvetették az ötletet. Az előbb útnak induló Vosztok-5-be Valerij Bikovszkijt, a másodikként felszálló Vosztok-6-ba pedig Tyereskovát ültették.

Először a Vosztok-5 startolt 1963. június 14-én, hogy öt napot töltsön az űrben, Tyereskova két nappal később, június 16-án követte társát. A szovjet sajtó diadalittasan adott hírt a világ első női űrhajósának útjáról. Bár a fő cél egy kezdetleges űrrandevú megkísérlése volt - a két Vosztok egy alkalommal öt kilométerre megközelítette egymást -, Koroljov és csapata a női kozmonauta testi reakcióira nagyobb figyelmet fordított. Tyereskova két napot, 22 órát és 50 percet töltött az űrben, 48 alkalommal kerülte meg a Földet, eközben azt jelentette a földi irányító központnak: "Itt Sirály, itt Sirály, a repülés rendben zajlik, a közérzetem jó." Évtizedekkel később, a cenzúra megszűnése után derült ki, hogy ez jókora túlzás volt. Valójában mindvégig hányingerrel, szédüléssel és orrvérzéssel küzdött, egyes források szerint egyszer még hisztérikus kiabálásba is kezdett.

Néhány apró technikai malőr és a rosszullétek ellenére Tyereskova űrhajója sikeresen ért földet Kazahsztánban. A női űrhajós programot ezután megszüntették, csak tizenkilenc évvel később járt ismét nő a világűrben, a szintén szovjet Szvetlana Szavickaja személyében. A landolást követően Tyereskova egy csapásra nemzeti hős, minden szovjet nő példaképe lett; ő maga csak azt kérte, állítsanak méltó emléket apjának. Hamarosan megkapta a Szovjetunió Hőse kitüntetést, a Lenin-rendet és krátert neveztek el róla a Holdon.

Útja után néhány hónappal, 1963 novemberében vélhetőleg félig szerelemből, félig a hivatalos szervek nyomására feleségül ment Nyikolajevhez. A világ első űrhajós-esküvőjén olyan prominens személyek voltak jelen, mint Hruscsov és Malinovszkij marsall, a honvédelmi miniszter. A frigyből egy lány született, aki ma már sebészorvos, s ezzel bizonyossá vált, hogy az űrben tartózkodásnak nincsenek káros következményei az emberi szervezetre. A házasság ezt követően megromlott, de a válásra csak a szocialista erkölcsök fellazulása után, 1982-ben került sor.

Tyereskova elvégezte a repülőakadémia űrhajós szakát, kandidátus és a szovjet hadsereg első és egyetlen női tábornoka lett. Az űrhajózáshoz később nem sok köze volt, néhány publikációt írt és rengeteg előadást, élménybeszámolót tartott. Annál tevékenyebb közéleti szereplővé lépett elő: a szovjet női egyenjogúság első számú megtestesítőjeként negyedszázadon át szovjet parlamenti képviselő, a Legfelsőbb Tanács Elnökségének tagja, az Szovjetunió Kommunista Pártja Központi Bizottságának tagja, a szovjet nőbizottság elnöke és a Szovjet Baráti Társaságok Szövetségének elnöke volt. A Szovjetunió felbomlása után tisztségeit elvesztette, de presztízsét nem. Oroszországban is hősként tekintenek rá, 2011 óta parlamenti képviselő, szülőfalujában még múzeuma is van, a 2014-es szocsi téli olimpia nyitóünnepségén ő is futott az olimpiai lánggal.