Barbara Valentin (gebürtig: Ursula Ledersteger) wurde am 15. Dezember 1940 in Wien als Tochter der Schauspielerin Irmgard Alberti und des Filmarchitekten Hans Ledersteger geboren. Ihr Debüt vor der Kamera gab sie mit neun Jahren in einem Kinovorfilm über das richtige Verhalten im Straßenverkehr. Nach dem Besuch der Schauspielschule spielte sie ab 1959 erste Nebenrollen, zumeist in anspruchslosen Unterhaltungsfilmen, etwa "Ein Toter hing im Netz" (1959), "Mal drunter, mal drüber" (1960) und "In Frankfurt sind die Nächte heiß" (1966). 

Ein neues Kapitel ihrer Karriere eröffnete sich dank Rainer Werner Fassbinder: Er besetzte Valentin 1972 in einer Nebenrolle seiner "Effi Briest"-Verfilmung, gefolgt von einer Hauptrolle in "Welt am Draht" (1973, TV). In den nächsten Jahren profilierte Valentin sich mit größeren und kleineren Rollen in weiteren Fassbinder-Filmen als markante Charakterdarstellerin. So etwa als Wirtin in "Angst essen Seele auf" (1974), als Karlheinz Böhms Frau in "Faustrecht der Freiheit" (1975) und als frühere Freundin (und Opfer) von Franz Biberkopf in "Berlin Alexanderplatz" (1980, TV). 

Durch ihre Auftritte bei Fassbinder wurden auch andere Regisseur auf Valentin aufmerksam: Ottokar Runze besetzte sie in "Das Messer im Rücken" (1975), Nikos Perakis in einer tragenden Rolle von "Bomber und Paganini" (DE/AT 1976), Walter Bockmayer in einer Hauptrolle von "Flammende Herzen" (1978), Helmut Dietl in einer Folge der Serie "Münchner Geschichten" (1974) und später (inzwischen ihr Ehemann) in "Der Durchdreher" (1979).  

In dem Kinderfilm "Neues vom Räuber Hotzenplotz" (1979) war sie die Frau Schlotterbeck, in der preisgekrönten Mediensatire "Im Himmel ist die Hölle los" (1984) die ehrgeizige Mutter von Billie Zöcklers Hauptfigur. Mit Herbert Achternbusch drehte Valentin "Rita Ritter" (1984), mit Ulrike Ottinger "Dorian Gray im Spiegel der Boulevardpresse" (1984). Danach nahm ihre Leinwandpräsenz deutlich ab. Ihre letzten Kinoauftritte hatte sie in Walter Bockmayers "Geierwally" (1988) und Peter Timms "Go Trabi Go" (1991). 

Neben ihrer Film- und Fernsehkarriere sorgte auch Valentins Privatleben für öffentliche Aufmerksamkeit: Sie war insgesamt dreimal verheiratet, zuletzt mit Helmut Dietl (1976-1983). Von 1983 bis 1991 lebte sie mit dem britischen Rocksänger Freddie Mercury zusammen – 1985 widmete er ihr sein Album "Mr. Bad Guy" mit den Worten "Thank you for big tits and misconduct". Nach Mercurys Tod 1991 engagierte Valentin sich in der AIDS-Hilfe.  

Als Schauspielerin sah man Barbara Valentin ab Mitte der 1980er Jahre vor allem in Fernsehproduktion, etwa in Gastrollen in Serien wie "SOKO München" (1984-1987), "Ein Schloß am Wörthersee" (1990) und "Der kleine Vampir - Neue Abenteuer" (1994), oder in Nebenrollen von Fernsehspielen wie "Ein Mann für meine Frau" (1993). Ihre letzte Rolle hatte sie in der Fernsehkomödie "Die Hunde sind schuld" (2001) an der Seite von Anna Loos und Tilo Prückner.  

Am 22. Februar 2002 starb Barbara Valentin in München an den Folgen einer Gehirnblutung.