Валя Семеренко начала заниматься зимними видами спорта с раннего детства. Вместе со своей старшей сестрой-близняшкой Витой они посещали лыжную секцию в своем поселке Краснополье Сумской области. Будучи в четвертом классе девочки начали участвовать в лыжных гонках, а через некоторое время Вале предложили заняться биатлоном.
В сезоне 2006/07 украинка стала попадать в основную сборную, ее лучшим достижением в это сезоне стало четвертое место в индивидуальной гонке на этапе в Хохфильцене. Зато уже через год Валя в составе эстафетной команды завоевала серебро чемпионата мира в Эстерсунде.
В сезоне 2008/09 Валя Семеренко в составе сборной выиграла эстафету, добыв первую медаль в Кубке мира. В 2011 году она завоевала личную бронзовую награду, став третьей в спринтерской гонке в Преск-Айле.
Уже в сезоне 2013/14 биатлонистка выиграла гонку преследования и завоевала первое личное золото на Кубке мира. Особую надежду в этом сезоне возлагали на украинку во время Олимпиады в Сочи, но тогда ей покорилось золото только в составе женской эстафетной команды.
Самым лучшим и стабильным сезоном для Вали оказался 2014/15 - в большинстве гонок эотого сезона биатлонистка забиралась на подиум или хотя бы удостаивалась цветочной церемонии. Как результат - третье место в общем зачете, после Дарьи Домрачевой и Кайсы Макарайнен.
Следующие два сезона были менее удачными для украинки. По их завершении она оказывалась на 47 и 79 местах.
Сезон 2017/18 Валя Семеренко начала неплохо - на первом этапе Кубка мира в Эстерсунде она пришла 4-й в индивидуальной гонке, пропустив вперед другую украинку Юлию Джиму. Большие надежды возлагаются на биатлонистку и на грядущих Олимпийских играх в Пхенчхане, где украинка вместе со своей сестрой Витой и другими украинскими спортсменками будет бороться за биатлонный трон.