Окончил ВГИК в 1956 году, уже не раз побывав на съёмочной площадке. Попав в штат Театра-студии киноактёра, он стал постоянно сниматься, по две-три картины в год. Играл преимущественно эпизодические роли, но зато в самых популярных фильмах, работал с самыми лучшими режиссёрами и партнёрами. В середине 1990-х годов Валентин Брылеев был основным актёром в телепередаче "Колесо истории", где в компании с Александром Пятковым и Владимиром Коппаловым разыгрывал сцены из различных эпох. В общей сложности эти мастера перевоплощения сыграли около тысячи персонажей. Ушёл из жизни в Москве. Похоронен актёр в колумбарии Донского кладбища.
