Затем она окончила школу ОСОВИАХИМа, стала летчиком-инструктором, далее летала в агитэскадрильe имени Максима Горького, была организатором и руководителем знаменитого беспосадочного перелета Москва — Дальний Восток, установившего мировой рекорд дальности, за что и была удостоена звания Героя Советского Союза. Накануне войны она была начальником Управления международных воздушных линий СССР, в войну — командир 101‑го гвардейского авиационного бомбардировочного полка дальнего действия, первый председатель Антифашистского комитета советских женщин, гвардии полковник. Маршал Новиков после войны предлагал ей взять дивизию — она отказалась. Вместо этого она добилась создания уникального научно-исследовательского летно-испытательного центра, где разрабатывалась и испытывалась новейшая авиационная электроника — по сути, закладывалась основа нашей всепогодной ракетоносной реактивной авиации. Но слава Гризодубовой связана, в основном, с легендарным беспосадочным перелетом Москва — Дальний Восток. Экипаж в составе Валентины Гризодубовой (командир), капитана Полины Осипенко и старшего лейтенанта Марины Расковой (штурман) пересек воздушное пространство страны «от Москвы до самых до окраин» за 26 часов 29 минут, установив мировой рекорд дальности — 6450 километров. Перелет состоялся 24–25 сентября 1938 года. Тренировки проходили на Ходынском поле, напротив которого сейчас расположен дом Гризодубовой. Летели на самолете конструкции Павла Осиповича Сухого — АНТ-37 «Родина». Это был самолет типа ДБ — дальний бомбардировщик, модернизированный, с автоматической уборкой шасси, имеющий еще ряд усовершенствований, которых не было на серийных машинах. Надо сказать, после трагедии экипажа Леваневского было опасение, что полет может не удаться, кроме того, существовал определенный настрой против самой идеи женского экипажа. Самолет «Родина» начали именовать не иначе как «дамский бомбардировщик». Но руководство страной размышляло иначе. В случае с благоприятным исходом полета можно было вновь заявить всему миру, что наши женщины могут не только распоряжаться на кухне и стоять у станка. Этими же доводами воспользуется Хрущев, посылая Валентину Терешкову в космос. Надежды и расчеты руководителей страны были отчасти оправданны. После полета экипажа Гризодубовой тысячи и тысячи молодых девушек вступят в кружки ОСОАВИАХИМа и начнут осваивать летное дело, а во время войны Гризодубова и Раскова выступят с инициативой создания женских авиационных полков…
Как это часто бывает, в подготовке экипажа самолета «Родина» были допущены существенные просчеты, а тут еще, как назло, с подозрением на аппендицит попала в больницу Раскова. График подготовки экипажа был нарушен. Оценивая действия каждого члена экипажа, исследователи исходили прежде всего из постулата, что победителей не судят, женщины блестяще справились с выпавшими на их долю препятствиями. Да, все это так, но просчеты были, и об этом позже вспоминала и сама Валентина Гризодубова.