По окончании института Валентина Леонидовна Пономарева была направлена на работу в Отделение прикладной математики АН СССР, где до апреля 1962 г. работала инженером. Занималась в аэроклубе, где освоила самолет Як-18. Принимала участие в авиационном параде в Тушино и во Всесоюзных соревнованиях по самолетному спорту.

В конце 1961 г. руководством космической отрасли было принято решение о наборе из аэроклубов в отряд космонавтов ЦПК пяти женщин, годных по состоянию здоровья к летной работе. В апреле 1962 г. она была зачислена в отряд на должность слушателя-космонавта.

Пройдя курс ОКП и сдав государственные экзамены, В. Л. Пономарева была переведена на должность космонавта. C января по май 1963 г. она готовилась к полету на КК «Восток-6» по программе женского полета в составе группы вместе с В. В. Терешковой, И. Б. Соловьевой, Ж. Д. Ёркиной. По результатам подготовки Валентина Леонидовна была назначена вторым дублером В. В. Терешковой.

С 1965 г. готовилась для полета на КК «Восход» длительностью до 20 суток с выходом в открытый космос в качестве командира первого экипажа. В 1966 г. полет был отменен в связи с закрытием программы «Восход».

В. Л. Пономарева отчислена из отряда в октябре 1969 г. в связи с расформированием женской группы космонавтов.

С октября 1969 по май 1988 г. работала в центре подготовки космонавтов на разных должностях. Преподавала слушателям-космонавтам динамику космического полета.

С сентября 1988 г. работала в Институте истории естествознания и техники АН СССР (ныне РАН).

Автор нескольких книг, в том числе «История создания Центра подготовки космонавтов», «Неоткрытый космос», «Женское лицо космоса», и публикаций в различных журналах. Участница лыжной экспедиции к Земле Франца-Иосифа в составе женской команды «Метелица».