Валентин Варламов родился 15 августа 1934 года в селе Сухая-Терешка Темчинского района Пензенской области.
После окончания авиационного училища он проходил службу в авиационных частях ПВО. С 1956 года Варламов служил летчиком, а с 1957 года - старшим летчиком 3-го Гвардейского истребительного авиационного полка 15-й Гвардейской истребительной авиационной дивизии.
Валентин Степанович Варламов был отобран для подготовки к космическому полету на корабле «Восток» 28 апреля 1960 года. 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 и после длительное время находился на лечении в госпитале. Хотя Варламов выздоровел, но от дальнейшей подготовки к полетам ему пришлось отказаться. 6 марта 1961 года он был отчислен из отряда космонавтов.
В последующие годы Варламов работал в Центре подготовки космонавтов. Он служил заместительем начальника командного пункта управления космическими полетами, старшим инструктором космических тренировок, штурманом-испытателем, помощником ведущего инженера.
Валентин Степанович Варламов погиб в результате несчастного случая 2 октября 1980 года. Похоронен на кладбище деревни Леониха Щелковского района Московской области.