Валентина Александровна Осеева-Хмелева (настоящая фамилия) родилась 28 апреля 1902 года в Киеве в семье инженера (инспектора на элеваторе), мать работала корректором в газете. Родители участвовали в революционном движении и часто переезжали. По окончании средней школы училась до 1923 года на актёрском факультете Киевского института им. Н. В. Лысенко, однако не окончила учебу. После семья переехала в Москву.

В 1924 — 1940 годах работала педагогом и воспитателем в детских коммунах и приёмниках для осиротевших детей. Во время эвакуации в годы Великой Отечественной войны работала воспитательницей в детском саду села Байки, Караидельского района, Башкирской АССР. На досуге Осеева сочиняла для ребят сказки, сама писала пьесы и ставила их вместе с детьми. Она любила придумывать игры, увлекаясь ими не меньше самих ребят. Именно по требованию своих воспитанников в 1937 г. Осеева отнесла в редакцию свой первый рассказ — «Гришка». А в 1940 г. вышла ее первая книжка «Рыжий кот». 

С 1952 года вместе с мужем, писателем-фантастом В. Д. Охотниковым, проживала в Крыму, в посёлке Изюмовка, недалеко от города Старый Крым. Наиболее крупными произведениями писательницы являются её трилогия «Васёк Трубачёв и его товарищи» и автобиографическая повесть «Динка», которую автор посвятила своей матери и сестре Анжеле.