Родилась в д. Большое Масленниково Тутаевского района Ярославской области.
Обучалась в средней школе № 32 г. Ярославль, в 1953 г. окончила семь классов. В 1954 г. начала трудовую деятельность на Ярославском шинном заводе браслетчицей в сборочно-вулканизационном цехе на подготовительной операции. Одновременно училась в вечерних классах школы рабочей молодежи. С апреля 1955 г. семь лет работала ткачихой на Ярославском комбинате технических тканей «Красный Перекоп». Одновременно в 1955–1960 гг. училась заочно в Ярославском техникуме легкой промышленности. С 1959 г. начала заниматься парашютным спортом в Ярославском аэроклубе. С 11 августа 1960 г. стала освобожденным секретарем комитета ВЛКСМ комбината «Красный Перекоп». 12 марта 1962 г. была зачислена в отряд космонавтов. С 1 декабря 1962 г. являлась космонавтом 1-го отряда 1-го отдела. 16–19 июня 1963 г. совершила космический полет на корабле-спутнике «Восток-6». С 16 июня 1963 г. – инструктор-космонавт 1-го отряда. В 1969 г. окончила Военно-воздушную инженерную академию имени Н.Е. Жуковского. С 30 апреля 1969 г. по 28 апреля 1997 г. — инструктор-космонавт отряда космонавтов 1-го отдела 1-го управления группы орбитальных кораблей и станций, инструктор-космонавт-испытатель группы орбитальных пилотируемых комплексов общего и специального назначения 1-й группы отряда космонавтов. В 1976 г. защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук. С 1997 г. – старший научный сотрудник Центра подготовки космонавтов. Генерал-майор авиации в отставке.
Ведет активную общественно-политическую деятельность: являлась членом ЦК КПСС, делегатом XXIV, XXV, XXVI и XXVII съездов КПСС, избиралась депутатом Верховного Совета СССР 7-го, 8-го, 9-го, 10-го, 11-го созывов (1966–1989). В 1968–1987 гг. – Председатель Комитета советских женщин, в 1969–1987 гг. – Вице-президент Международной демократической федерации женщин, в 1987–1992 гг. – председатель Президиума Союза советских обществ дружбы и культурной связей с зарубежными странами, в 1989–1992 гг. – народный депутат СССР от Союза советских обществ дружбы и культурных связей с зарубежными странами и общества «Родина», в 1992 г. – председатель президиума Российской ассоциации международного сотрудничества, в 1992–1995 гг. – первый заместитель председателя Российского агентства международного сотрудничества и развития, в 1994–2004 гг. – руководитель Российского центра международного научного и культурного сотрудничества. В 2003 г. на II съезде Российской партии Жизни была выдвинута кандидатом в депутаты в Государственную Думу Федерального Собрания Российской Федерации, в 2008–2011 гг. – депутат Ярославской областной думы от партии «Единая Россия», заместитель председателя. В 2008 г. была факелоносцем российского этапа эстафеты огня пекинской олимпиады в Санкт-Петербурге. В 2011 г. избрана депутатом Государственной думы России от партии «Единая Россия» по Ярославскому региональному списку. В 2014 г. на Церемонии открытия зимних Олимпийских игр 2014 г. в Сочи в числе восьми избранных персон России несла Олимпийский флаг. С 2015 г. – президент некоммерческого благотворительного фонда «Память поколений».
Награждена орденами Ленина (дважды), Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, «За заслуги перед Отечеством» 1-й, 2-й степеней, Александра Невского, Почета, Дружбы, медалями, иностранными орденами и медалями. Лауреат Государственной премии Российской Федерации за выдающиеся достижения в области гуманитарной деятельности 2008 г. За успешное осуществление полета и проявленные при этом мужество и героизм в 1963 г. удостоена звания Героя Советского Союза. Герой Социалистического Труда Чехословацкой Социалистической Республики, Герой Социалистического Труда Народной Республики Болгарии, Герой Труда Монгольской Народной Республики, Герой Труда Демократической Республики Вьетнам. Заслуженный мастер спорта СССР. 8 марта 1964 г. занесена в Почетную Книгу Трудовой Славы и Героизма Чувашской АССР. Является почетным гражданином ряда городов России и зарубежных стран. Ее именем названы кратер на Луне, малая планета; улицы в городах Улан-Удэ, Новосибирск, Красноярск, Кострома, Кемерово, Ульяновск, Оренбург, Дзержинск, Нижний Новгород, Балахна, Липецк, Иркутск, Новочебоксарск, Витебск, Минеральные Воды, проспект в г. Гудермес, площадь в г. Тверь, набережная в г. Евпатория; школы в городах Ярославль, Новочебоксарск, Караганда, Есик (Алматинская область); музей «Космос» и планетарий в г. Ярославль.