Fue la primera mujer en viajar el espacio a bordo del Vostok 6. Formaba parte del cuerpo de cosmonautas femeninos de la URSS, un programa experimental de gran éxito que buscaba estudiar si las mujeres tenían la misma resistencia en el espacio que los hombres.
Muy pronto se interesó por el paracaidismo y se formó para ello, mientras trabajaba como su madre en una industria textil, logrando realizar su primer salto a la temprana edad de 22 años. Su habilidad para el paracaidismo fué uno de los motivos de ser seleccionada para el programa de cosmonautas femeninos.
Cuando la URSS quiso enviar a una mujer al espacio, Valentina Tershkova fue seleccionada, junto con 5 compañeras más, de entre más de 400 candidatas. El grupo seleccionado fue sometida a una dura formación durante varios meses la cual incluía vuelos de ingravidez, pruebas de aislamiento, pruebas en centrifugador, teoría de cohetes, naves espaciales de ingeniería, 120 saltos en paracaídas y formación de pilotos en aviones de combate.
Con 26 años comenzó su preparación para el vuelo en el Vostok 6. El día del lanzamiento, el 16 de junio de 1963, se convirtió en la primera mujer en llegar al espacio, de hecho completó 48 vueltas completas a la tierra y pasó casi tres días en el espacio superando con mucho a la mayoría de los astronautas estadounidenses.
Gracias a su paso por el cuerpo de cosmonautas pudo acceder a la Academia de la Fuerza aérea de Zhukovski donde estudió ingeniería espacial, acabando la carrera el mismo año que se disolvió el cuerpo de cosmonautas femeninos.
Portó la bandera olimpia en la ceremonia de apertura de los Juegos Olímpicos de Sochi en 2014