Родилась в Тюмени в семье учителя черчения и рисования Тюменского Александровского реального училища. Окончив Тюменский педагогический техникум в 1931 году, Валентина Федоровна работала заведующей Исетской образцовой начальной школой, преподавала русский язык и литературу в Исетской школе крестьянской молодежи имени А. М. Горького. С 1935 года студентка Омского пединститута им. А. М. Горького Валентина Трофимова стала стипендиаткой имени А. С. Пушкина.
В годы войны преподавала в средней школе № 25. После занятий от классной доски шла в речпорт, где вместе с другими земляками разгружала баржи с зерном. Участвовала в заготовке дров.
После войны двенадцать лет возглавляла Тюменское педагогическое училище. Сумела собрать дружный коллектив и практически с нуля создать материальную базу учебного заведения (в те годы в училище не было ни столов, ни стульев, ни учебных пособий). После сокращения в стране педучилищ была назначена директором первой в нашей области школы-интерната №1, воспитанники которого вспоминали ее материнскую заботу, уважение к каждому ребенку.
Звание «Заслуженный учитель школы РСФСР» Валентине Трофимовой присвоено в 1951 году. В начале 1960-х годов была избрана депутатом Верховного Совета СССР пятого созыва, многократно избиралась членом горкома КПСС, депутатом горсовета. Первая женщина, удостоенная звания «Почетный гражданин города Тюмени», которое присвоено ей в 1967 году.
Одну из новых улиц Тюмени в 2017 году назвали именем Валентины Федоровны Трофимовой. На доме, в котором она жила установлена мемориальная доска.