Валентин Серов родился 7 (19) января 1865 года в Санкт-Петербурге, в семье композиторов Александра Николаевича Серова и Валентины Семёновны Серовой (урождённой Бергман, из крещёной еврейской семьи).

Валентин Серов начал своё образование в классической гимназии, но, пройдя в ней только три низшие класса, покинул её с намерением посвятить себя всецело искусству. С1871 года Бергман с сыном живёт в Мюнхене, а с 1874 года — в Париже.

С 1878 по 1879 год в Москве брал уроки рисунка и живописи у И. Е. Репина, в семье которого жил в 1879 году. Серов бывал с Репиным в доме Мамонтовых на Садовой-Спасской улице и в Абрамцеве, участвовал в их домашних спектаклях.

В 1880 году поступил в Императорскую Академию Художеств. Здесь его главным наставником был П. П. Чистяков. Получив от Академии малую серебряную медаль за этюд с натуры, оставил это заведение в 1884 году и с того времени начал работать самостоятельно, всё более и более совершенствуясь в живописи, преимущественно портретной. В 1884 году в Абрамцеве создал одно из первых своих значительных произведений — портрет Л. А. Мамонтовой (Новгородский государственный объединённый музей-заповедник). В 1887 году написал знаменитый портрет В. С. Мамонтовой («Девочка с персиками»; Третьяковская галерея).

С 1894 года Серов состоял членом Товарищества передвижных художественных выставок.

С 1897 года преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества. Его учениками были П. В. Кузнецов, Н. Н. Сапунов, М. С. Сарьян, К. С. Петров-Водкин,Н. П. Ульянов, К. Ф. Юон.

Серов был хорошо знаком и с врачом и коллекционером Иваном Трояновскими, а также с семьей Виктора Обнинского. Летом 1904 года Серов долго гостил в имении Белкино (Калужская область). Здесь им был создан пастельный портрет Клеопатры Обнинской с зайчиком (Нижегородский художественный музей). Этот рисунок считается одним из лучших лирических портретов в графике художника. Тогда же Серов писал интерьеры особняка в Белкине, один из которых лег в основу картины "Зал старого дома" (Третьяковская галерея).

Скончался Серов 22 ноября (5 декабря) 1911 года в Москве. Похоронен на Донском кладбище в Москве. Позднее останки перенесены на Новодевичье кладбище.