Валентин Серов родился в Петербурге в 1865 году. Его отец Александр Серов был музыкальным критиком и композитором, мать Валентина Серова (Бергман) — пианисткой и первой женщиной-композитором в России. Отец будущего художника умер, когда мальчику было шесть лет. Вскоре после его смерти Серов с матерью переехали в Мюнхен. Молодая пианистка была увлечена музыкой и уделяла ребенку не так много времени, однако она рано заметила талант сына к рисунку и отдала его на обучение к немецкому граверу Карлу Кёппингу.
Когда Серову было девять лет, его творческие успехи отметил скульптор Марк Антокольский. Он посоветовал матери нанять для мальчика педагога из русских художников. Учителем Серова стал молодой Илья Репин.
Занятия с Репиным начались в Париже, затем продолжились в Москве. Серов поселился в доме учителя — они вместе писали натурщиков и ходили на этюды. В 1880 году Серов с рекомендательным письмом от Репина поехал в Петербург. Он сдал экзамены и поступил в Петербургскую Академию художеств в класс Павла Чистякова. Молодой художник изучал «чистяковскую систему» строгого построения рисунка и вырабатывал собственные художественные взгляды.
Спустя пять лет обучения Валентин Серов бросил академию: он хотел работать самостоятельно. Позднее художник писал, что «в Академии ценил лишь мнение одного Чистякова».
Серов часто гостил в Абрамцеве — подмосковной усадьбе купцов Мамонтовых. Здесь он написал портрет 12-летней Веры Мамонтовой — знаменитое полотно «Девочка с персиками». Юная натурщица позировала Серову каждый день почти два месяца.
Самой значительной своей работой Серов считал картину «Девушка, освещенная солнцем». Его натурщицей стала двоюродная сестра художника Мария Симонович. Художник давно мечтал написать портрет в саду, где играют солнце и тень листвы. Он говорил: «В нынешнем веке пишут все тяжелое, ничего отрадного. Я хочу, хочу отрадного и буду писать только отрадное». Работа над полотном шла три месяца. Мария Симонович должна была позировать художнику несколько часов в день и при этом — думать о приятном, чтобы сохранять задумчивое и расслабленное выражение лица. Но девушку это не смущало, потом она вспоминала, что увлеклась «важностью своего значения».
«Девочка с персиками» и «Девушка, освещенная солнцем» были показаны на выставке Товарищества передвижников в 1888 году. С ними к Валентину Серову пришло признание критиков и публики. Живописную манеру художника и смешение жанров — портрета, пейзажа и интерьера — особенно высоко оценили импрессионисты.
В Абрамцеве Валентин Серов написал и знаменитый портрет своей невесты Ольги Трубниковой — она воспитывалась в семье тетки Серова Аделаиды Симонович. В январе 1889 года Трубникова и Серов обвенчались в Санкт-Петербурге в церкви Семеновского полка. Молодые супруги вместе съездили в Париж на Всемирную художественную выставку, затем поселились в Москве. В 1890-е годы художник много работал над заказными портретами и путешествовал по России.
В этот период Серов рисовал портреты деятелей искусства — итальянских певцов Анджело Мазини и Франческо Таманьо, художников Константина Коровина, Ильи Репина, Исаака Левитана, писателя Николая Лескова и композитора Николая Римского-Корсакова.
В 1892 году харьковское дворянство заказало художнику картину «Император Александр III с семьей» — в честь спасения царской семьи при крушении поезда на станции Борки. Так началась целая серия портретов императорской семьи. Обычно Серов подолгу трудился над портретами и назначал натурщикам множество сеансов, однако с царем художнику удалось встретиться лишь единожды. Над образом Александра III Серов работал по фотографии. Эскизные портреты детей царя — 17-летней Ксении, 14-летнего царского сына Михаила и 11-летней Ольги — художник рисовал с натуры.
В 1896 году Серов получил право присутствовать на коронации Николая II в Успенском соборе — он написал акварель «Миропомазание Государя Императора». Позже по заказу Николая II Серов написал парадный портрет Александра III в форме датского полка и портрет самого Николая в дар гвардейскому полку. В подарок жене царя Александре Федоровне Серов написал «домашний» портрет Николая II в тужурке. Форму лейб-гвардии Преображенского полка Николай носил в будни. Спустя годы Константин Коровин писал об этом портрете: «Серов первым из художников уловил и запечатлел на полотне мягкость, интеллигентность и вместе с тем слабость императора».
Валентин Серов был членом Товарищества передвижных художественных выставок. Однако после раскола общества Серов, Левитан, Архипов, Васнецов и некоторые другие художники вышли из его состава. В 1898 году появилось новое объединение художников — «Мир искусства», в эту группу вошел и Серов. Он занимался организацией выставок, искал деньги на издание журнала «Мир искусства». Лидер объединения Александр Бенуа вспоминал: «Серов был в нашей среде самым надежным цементом, скреплявшим пестрые, разнохарактерные личности. Его дружескому суду мы верили, и ссорившиеся протягивали друг другу руки».
В конце XIX века Серов увлекся черно-белым рисунком. Он иллюстрировал басни Крылова — изучал повадки волков, лисиц, ворон. Валентин Серов с детства любил животных, они были частыми героями его полотен. Лучшей моделью Серов в шутку называл бульдога, с которым для портрета позировал Феликс Юсупов — сын княгини Зинаиды Юсуповой.
После смерти Павла Третьякова Серова избрали членом совета Третьяковской галереи — он оставался им до конца жизни. С 1898 по 1909 год художник преподавал в Московской школе живописи, ваяния и зодчества — руководил натурной мастерской. Многие художники, среди которых — Кузьма Петров-Водкин, Павел Кузнецов и Мартирос Сарьян — считали Серова своим главным учителем и наставником.
В 1910-е годы Валентин Серов сотрудничал с Сергеем Дягилевым на его Русских сезонах. Он написал портрет Дягилева, афишу балета с воздушной Анной Павловой и полотно с обнаженной Идой Рубинштейн. Изображение эпатажной танцовщицы напоминало египетские фрески. Серов восхищался своей натурщицей: «Монументальность есть в каждом ее движении — просто оживший архаический барельеф».
В 1911 году Валентин Серов умер от сердечного приступа. Художника похоронили на Донском кладбище, позднее его тело перенесли на Новодевичье кладбище.
