Nata nel 1969 a Pisa, Valentina Tozzini ha vinto un posto di studente ordinario presso la Scuola Normale Superiore di Pisa negli anni 1988-1992. Ha conseguito la Laurea in Fisica nel 1993 presso l’Università di Pisa, e nello stesso stesso anno, il Diploma in Fisica presso la Scuola Normale Superiore (SNS) di Pisa, con una Tesi in Fisica della 
Materia, su modelli e calcoli numerici delle proprietà di cristalli prossimi alla fusione. Ha successivamente vinto un posto per studente perfezionando presso la SNS, continuando il lavoro di Tesi, su modelli di cristalli quantistici a basse temperature (cristalli elettronici di Wigner, He3 e He4 cristallini). Ha conseguito il titolo di Perfezionamento (Dottorato) in Fisica della materia nel 1997. Durante il successivo periodo post-dottorale, ha cambiato argomento di ricerca, applicando la sua conoscenza di metodi di calcolo numerico alle simulazioni di molecole biologiche, contemporaneamente seguendo il corso di Fisica Medica presso l’Università di Pisa, e conseguendo il corrispondente Diploma di specializzazione nel 1999.
Dopo alcune visite di ricerca all’estero (Università di Nijmegen, NL, Università della California, San Diego), dal 2000 è VT ricercatrice, prima presso l’Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM), poi presso il Cnr (Istituto di Nanoscienze, sede di Pisa). In questi anni i suoi interessi di ricerca sono stati a cavallo tra la struttura della materia vivente e quella inanimata, con il comun denominatore dei metodi, cioè simulazioni multi-scala. Le simulazioni al calcolatore sono strumenti molto potenti, ma vanno adattate allo specifico problema e alla specifica scala di dimensione e tempo del sistema in esame. Quindi non si tratta di un unico metodo, ma di un insieme di metodi, una “strategia investigativa”, il cui impatto e la cui potenza è stata ratificata dal premio Nobel per la chimica 2013, assegnato ai tre padri dei metodi di simulazione multi-scala (Martin Karplus, Arieh Warshel, Michael Levitt). L’interesse personale di VT è assecondare la complessità della materia (soprattutto quella vivente) adattando le tecniche investigative teoriche e numeriche e sviluppando nuovi modelli, per far sì che le simulazioni siano un ponte stabilmente percorribile tra la teoria e la realtà contingente.
Attualmente VT si occupa della simulazione di sistemi macromolecolari biologici coinvolti in malattie come l’AIDS e Alzheimer, ma anche di grafene e sue applicazioni in campo energetico. Si occupa anche di divulgazione scientifica, scrivendo saltuariamente sul bollettino della Società Italiana di Fisica Medica. È nel comitato scientifico del Festival della Scienza di Genova e ha partecipato attivamente ad diverse iniziative di divulgazione scientifica, come Internet Festival (Pisa) e il Festival della Scienza di Pordenone. Il suo interesse verso la divulgazione nasce dalla ferma convinzione che la cultura scientifica sia fondamentale per rendere la società criticamente consapevole, in grado di distinguere ed isolare falsi profeti, e di progredire verso una sana e pacifica modernità.