Валентин Степанович Варламов окончил авиационное училище. Проходил службу в авиационных частях ПВО.
28 апреля 1960 года был отобран для подготовки к космическому полёту. Проходил подготовку к космическому полёту на корабле «Восток».
Подготовку к космическому полёту не закончил.
6 марта 1961 года отчислен из отряда космонавтов по медицинским показаниям: в июле 1960 года, во время отдыха на Медвежьих озёрах (Московская область), Валентин Варламов неудачно нырнул и повредил шейные позвонки.
После отчисления из отряда космонавтов остался работать в Звёздном городке инструктором.
Валентин Варламов погиб в результате несчастного случая (поскользнувшись в ванной на кафельной плитке, сильно ударился головой) в 1980 году.
