Валентин Степанович Варламов родился 15 августа 1934 года в селе Сухая-Терешка 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.
В апреле 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 и после длительное время находился на лечении в госпитале.
Хотя Варламов выздоровел, но от дальнейшей подготовки к полетам ему пришлось отказаться. В марте 1961 года он был отчислен из отряда космонавтов.
В последующие годы Варламов работал в Центре подготовки космонавтов: заместитель начальника командного пункта управления космическими полетами; старший инструктор космических тренировок; штурман-испытатель; помощник ведущего инженера.
Валентин Степанович Варламов погиб в результате несчастного случая 2 октября 1980 года. Похоронен на кладбище деревни Леониха Щелковского района Московской области.
