Der in Berlin geborene Valentine Bargmann entstammt einer russisch-jüdischen Familie. Er studiert in Berlin Physik, promoviert nach seiner Emigration 1936 an der Universität Zürich und geht anschließend in die Vereinigten Staaten. Von 1937 bis 1946 ist er Mitarbeiter am Institute for Advanced Study in Princeton, danach Professor für Mathematische Physik an der Princeton University. 1988 erhält er die Max-Planck-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

Von 1937 bis 1938 ist Bargmann Assistent Einsteins und arbeitet mit ihm über Probleme der einheitlichen Feldtheorie. Während des Zweiten Weltkrieges arbeitet er unter anderem mit John von Neumann über Schockwellen, nach dem Krieg mit Eugene Wigner über relativistische Wellengleichungen.