Tėvai: Antanas Vilnonis (1883–1965) ir Anastazija Panavaitė-Vilnonienė (1889–1966). Brolis Mykolas Vilnonis (1918–2001), seserys: Elena Vilnonytė-Gražienė (apie 1921 – 1962), Ona Vilnonytė (1922–2004).

1946 m. baigė Anykščių gimnaziją 3-ojoje jos abiturientų laidoje. 1946–1951 m. studijavo Vilniaus universiteto Istorijos-filologijos fakultete, įgijo lietuvių kalbos ir literatūros dėstytojos išsilavinimą.

1951–1959 m. V. Vilnonytė dirbo Linkuvos (Pakruojo r.) vidurinėje mokykloje lietuvių kalbos ir literatūros mokytoja.

Nuo 1959 m. iki gyvenimo pabaigos ji gyveno Vilniuje.

1959–1993 m. V. Vilnonytė dirbo Lietuvos respublikinėje bibliotekoje (nuo 1989 m. – Lietuvos nacionalinėje Martyno Mažvydo bibliotekoje) bibliografinį darbą, buvo Bibliografijos, vėliau Lituanistikos, Retų spaudinių, Rankraščių skyrių darbuotoja, kol išėjo į pensiją.

Ji sudarė anketą, kuri buvo naudojama, renkant ir kaupiant Lietuvos nacionalinės bibliotekos istoriją. V. Vilnonytės bibliografiniai tyrimai ir jų publikacijos laikomi svarbiausiu šaltiniu, liudijančiu apie asmeninių rinkinių knygas, XX a. pirmojoje pusėje patekusias į didžiausią šalies biblioteką.

V. Vilnonytė tyrinėjo knygų naikinimą Lietuvoje po Antrojo pasaulinio karo, šia tema paskelbė mokslinių publikacijų.

Svarbiausi V. Vilnonytės bibliografiniai ir metodiniai leidiniai:

1962 m. – "Eduardas Mieželaitis : rekomenduojamos literatūros rodyklė" (bibliografijos rodyklė).

1964 m. – "Kristijonas Donelaitis" (su kitais rengėjais, parodos katalogas).

1969 m. – "Lietuvos TSR valstybinės respublikinės bibliotekos leidinių katalogas 1946–1969".

1974 m. – "Petras Cvirka : bibliografija (1924–1970)" (su Algimantu Lukošiūnu, bibliografijos rodyklė).

1978 m. – "Kazys Boruta : bibliografija (1920–1976)" (bibliografijos rodyklė).

1983 m. – "Vytautas Jurgutis : bibliografija (1929–1982)" (bibliografijos rodyklė).

1984 m. – "Lietuvos TSR valstybinė respublikinė biblioteka, 1919–1940 m. : bibliotekų istorijos metodikos rekomendacijos : monografija".

Ji sudarė Kazio Borutos 10 tomų raštus (1970–1976 m.) ir parengė jų paaiškinimus, parašė paiškinimus Eduardo Mieželaičio 8 tomų raštams (1970–1976 m.). Sudarydama bibliografijas, ji atskleidė ir surinko P. Cvirkos ir K. Borutos pseudonimus.

V. Vilnonytė parengė ir išleido senosios raštijos leidinį – Pilypo Ruigio "Lietuvių kalbos kilmės, būdo ir savybių tyrinėjimas" (su Vytautu Jurgučiu, 1986 m.).

Ji parengė rodyklę "Lietuvos centrinė biblioteka 1940–1941 metais" (išleista periodiniame leidinyje "Tarp knygų" 1992–1993 m.), pateikė medžiagos biobibliografiniam žinynui "Lietuvių rašytojai" (t. 1, 1979 m.).

V. Vilnonytė buvo vertėja iš rusų kalbos. Ji išvertė Jusufdžono Akobirovo apysakas "Mergaitė, kurios ieškojau. Kai malūnas sustojo" (1967 m.).

V. Vilnonytė apdovanota Sausio 13-osios atminimo medaliu (2002 m.).

Mirė 2016 m. rugpjūčio 11 d. Vilniuje. Palaidota Anykščių senosiose kapinėse prie artimųjų. Kapą ženklina skulptūrinė kompozicija iš akmens luito su įkomponuotu metaliniu vainiku kaip paminklas tėvams, kapavietę dengia šlifuoto akmens plokštė su iškaltu įrašu: "Vilnoniai / iš / Janydžių / Antanas / 1883–1965 / Anastazija / 1889–1966 / Mykolas / 1918–2001 / Valerija / 1927–2016 / Ona / 1922–2004".