Из семьи рабочих. Окончил Казанское Суворовское военное училище (1971—1973) с отличием, Казанское высшее танковое командное училище имени Верховного Совета Татарской АССР (1973—1977) с золотой медалью, Военную академию бронетанковых войск имени Маршала Советского Союза Р. Я. Малиновского (1984—1987) с отличием, Военную академию Генерального штаба Вооружённых Сил РФ (1995—1997).
С 1977 года проходил службу командиром взвода, роты и начальником штаба батальона в 80-м танковом полку 90-й гвардейской танковой дивизии Северной группы войск в Польше (г. Борне-Сулиново). С 1982 по 1984 годы — начальник штаба батальона и командир батальона 29-й мотострелковой дивизии в Дальневосточном военном округе (с. Троицкое (Приморский край)). После окончания академии с 1987 года служил начальником штаба — заместителем командира танкового полка, командиром танкового полка, начальником штаба — заместителем командира, а с 1993 года — командиром 144-й гвардейской мотострелковой дивизии в Прибалтийском военном округе и Северо-Западной группе войск. В августе 1994 года руководил выводом дивизии в Московский военный округ (город Ельня). С 1995 года — на учёбе в академии.
С 1997 года служил 1-м заместителем командующего 1-й гвардейской танковой армией в Московском военном округе (1997—1998), с февраля 1998 начальником штаба — заместителем командующего, а с февраля 2001 командующим 58-й общевойсковой армией в Северо-Кавказском военном округе. С августа 1999 года части армии вели масштабные боевые действия в ходе второй чеченской войны. Служил начальником штаба Дальневосточного военного округа с марта 2003 года, с апреля 2005 — начальником Главного управления боевой подготовки и службы войск Вооружённых Сил. В декабре 2006 года вступил в должность начальника штаба Северо-Кавказского военного округа.
С 11 декабря 2007 по 5 февраля 2009 года — командующий войсками Ленинградского военного округа, с 5 февраля 2009 по 23 декабря 2010 года — командующий войсками Московского военного округа.
23 декабря 2010 года указом Президента РФ назначен на должность заместителя начальника Генерального штаба Вооружённых сил Российской Федерации.
В 2009—2012 годах командовал парадами в честь Дня Победы на Красной площади.
С 26 апреля 2012 года — командующий войсками Центрального военного округа.
После отставки Анатолия Сердюкова с должности министра обороны Российской Федерации 9 ноября 2012 года новый министр обороны Сергей Шойгу представил президенту России Владимиру Путину кандидатуру Валерия Герасимова на должность начальника Генерального штаба Вооружённых сил Российской Федерации — первого заместителя Министра обороны Российской Федерации.
На встрече с президентом Валерий Герасимов заявил:
Считаю, что вся деятельность Генерального штаба должна быть направлена на достижение одной главной цели — это поддержание боеспособности Вооружённых Сил в таком состоянии, которое гарантирует выполнение всех возложенных на Вооружённые Силы задач. И буду делать всё от меня зависящее для достижения этой цели.
9 ноября 2012 года назначен Президентом России Владимиром Путиным на должность начальника Генерального штаба Вооружённых сил Российской Федерации — первого заместителя Министра обороны Российской Федерации.
С 13 ноября 2012 года является членом Совета Безопасности Российской Федерации. Во время отсутствия министра обороны генерала армии Сергея Шойгу, генерал армии Валерий Герасимов является временно исполняющим обязанности Министра обороны Российской Федерации.
В январе 2013 года выступил перед общим собранием Академии военных наук с докладом на тему «Основные тенденции развития форм и способов применения ВС, актуальные задачи военной науки по их совершенствованию».
Генерал армии Валерий Герасимов является Председателем межведомственной комиссии по Государственной премии имени Маршала Г. К. Жукова.
Организатор военной операции России в Сирии, начатой в сентябре 2015 года. За мужество и героизм, проявленные при исполнении воинского долга, в мае 2016 года закрытым указом Президента России, Валерий Васильевич Герасимов удостоен высшей государственной награды — Герой Российской Федерации.
По мнению ряда зарубежных военных специалистов он считается создателем так называемой «доктрины Герасимова», которая легла в основу российской концепции войны нового поколения.