Валерия Мухина родилась 22 января 1935 года в городе Уссурийск, Приморский край. Отец - кадровый офицер Красной Армии - погиб на фронте Великой Отечественной войны в 1942 году.
Уже в школьные годы оформился интерес Валерии Мухиной к зоопсихологии, сформировавшийся под влиянием работ одного из крупнейших российских ученых-зоопсихологов Надежды Николаевны Ладыгиной-Котс. Надежда Ладыгина-Котс стала учителем Валерии Мухиной и ее руководителем во время обучения на биолого-химическом факультете Московского государственного педагогического института имени Ленина, который Мухина окончила в 1956 году.
В конце 1950 годов Валерия Мухина осуществила на базе Московской психиатрической больницы имени Кащенко серию экспериментов по использованию дрессированных животных для лечения психически больных детей, в результате которых были получены обнадеживающие результаты.
С 1962 года Валерия Мухина начала преподавательскую работу на кафедре психологии МГПИ имени Ленина. В 1965 году она защитила кандидатскую диссертацию, а в 1972 году - докторскую.
Автор дневника матери, уникального по продолжительности непрерывного научного наблюдения за психическим развитием сыновей-близнецов, - от рождения до 7 лет.
В 1960-1970 годах исследовала знаковую функцию сознания в развитии графических образов у детей. В 1970 годах Валерия Мухина выявила психологическую одновременность вхождения ребенка в мир реальных предметов и в мир их символических замещений, постепенное ослабление прямой зависимости детского поведения от функционального назначения окружающих предметов и нарастание степени свободы ребенка в сфере его действий с предметами-заместителями и в развитии рефлексии.
С 1970 годов разрабатывает проблему развития личности посредством механизмов идентификации-обособления. На этой теоретической базе обосновала варианты психологического сопровождения и поддержки с учетом возраста, пола, этнической и конфессиональной принадлежности человека на всех этапах его онтогенеза.
В 1975-1980 годах предложила теорию исторического и онтогенетического развития структурных звеньев самосознания. С позиций этой теории становятся возможными диагностика и коррекция негативных проявлений в развитии человека как личности, в том числе связанных с групповыми и этническими проблемами.
С 1988 года по настоящее время заведует кафедрой педагогической психологии МПГУ. С 1992 года по 1998 год одновременно была директором Института развития личности РАО. С 1997 года под ее руководством начал выпускаться журнал «Развитие личности», ставший одним из ведущих профессиональных периодических изданий нашей страны.
Валерия Мухина участвовала в организации психологической помощи пострадавшим от Спитакского землетрясения в Армении. С конца 1980 годов руководила подготовкой практических психологов для регионов, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС. Организовала выпуск двух потоков специалистов - психологов. Работала в ВДЦ «Орленок» с подростками, пережившими ситуацию теракта в Буденновске.
В 1992-1999 годах возглавляла программу РАО «Будущие лидеры России». С 2002 года по 2004 годы совместно с отделом психологической службы ГУИН Министерства юстиции РФ ею разрабатывалась «Программа реабилитации матери и ребенка в условиях лишения свободы» и программа «Инновационные технологии социальной адаптации и ресоциализации осужденных к длительным срокам наказания». Работа ведется по настоящее время.
В 2004 году руководила группой психологов по оказанию психологической экспресс-помощи детям, пострадавшим при теракте в Беслане. Участник реализации программ поддержки детства, в том числе «Дети-сироты», «Дети-инвалиды», «Дети Чернобыля» и др. Автор концепции кабинета детского психолога, в оборудование которого входят стимульные куклы для детей с различными психологическими проблемами.
Под руководством Валерия Мухиной защищено 68 кандидатских и 25 докторских диссертаций по психологии.
Сыновья Валерии Мухиной также стали учеными-психологами: Андрей Анатольевич Хвостов - доктор психологических наук; Кирилл Анатольевич Хвостов - кандидат психологических наук.