Родился 8 сентября 1955 г. в гор. Казани (Татарская АССР РСФСР, ныне Республика Татарстан, РФ) в семье рабочего.

В 1973 г. окончил Казанское суворовское военное училище, в 1977 г. - Казанское высшее танковое командное училище им. президиума Верховного совета Татарской АССР (ныне филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск "Общевойсковая академия ВС РФ", ВУНЦ СВ "ОВА ВС РФ"), в 1987 г. - Военную академию бронетанковых войск им. маршала Советского Союза Р. Я. Малиновского в Москве (в 1998 г. включена в состав ВУНЦ СВ "ОВА ВС РФ"), в 1997 г. - Военную академию Генерального штаба Вооруженных сил РФ.

С 1977 г. последовательно командовал взводом, ротой, был начальником штаба батальона в 80-м танковом полку 90-й гвардейской танковой дивизии Северной группы войск (СГВ, Польская Народная Республика, ныне Республика Польша). После службы в СГВ был переведен в Дальневосточный военный округ, где проходил службу в должностях начальника штаба и командира танкового батальона.
С 1987 по 1993 г. - начальник штаба - заместитель командира танкового полка, затем - командир танкового полка, начальник штаба - заместитель командира 144-й гвардейской мотострелковой дивизии в Прибалтийском военном округе (Таллин, Эстония).
В 1993-1995 гг. Валерий Герасимов командовал 144-й гвардейской мотострелковой дивизией в Северо-Западной группе войск (российские войска, дислоцировавшиеся на территории прибалтийских государств).
В 1994 г. руководил выводом дивизии в Московский военный округ, где она была преобразована в базу хранения вооружения и техники.
С 1997 по 1998 г. служил первым заместителем командующего 1-й гвардейской танковой армией в Московском военном округе (Смоленск).
В 1998-2003 гг. - заместитель командующего армией, начальник штаба - первый заместитель командующего армией, далее - командующий 58-й общевойсковой армией в Северо-Кавказском военном округе. В годы командования Валерия Герасимова подразделения армии участвовали в контртеррористических операциях на территории Чечни. С марта 2003 г. по апрель 2005 г. - начальник штаба - первый заместитель командующего войсками Дальневосточного военного округа (Хабаровск).
В апреле 2005 г. - декабре 2006 г. Валерий Герасимов был начальником Главного управления боевой подготовки и службы войск ВС РФ.
С декабря 2006 г. по декабрь 2007 г. - начальник штаба - первый заместитель командующего войсками Северо-Кавказского военного округа.
С 11 декабря 2007 г. по 5 февраля 2009 г. командовал войсками Ленинградского военного округа (Санкт-Петербург).
В период с 5 февраля 2009 г. по 23 декабря 2010 г. - командующий войсками Московского военного округа.
С 23 декабря 2010 г. по 26 апреля 2012 г. - заместитель начальника Генерального штаба ВС РФ Николая Макарова. В 2009-2012 гг. командовал парадами в честь Дня Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг. на Красной площади в Москве.
С 26 апреля по 9 ноября 2012 г. - командующий войсками Центрального военного округа.
С 9 ноября 2012 г. по н. в. - начальник Генерального штаба ВС РФ - первый заместитель министра обороны РФ. Сменил на этом посту генерала армии Николая Макарова. Минобороны с 6 ноября 2012 г. возглавляет Сергей Шойгу.
С 13 ноября 2012 г. Валерий Герасимов - член Совета безопасности РФ.
​11 января 2023 г. министр обороны РФ Сергей Шойгу назначил Валерия Герасимова командующим Объединенной группировкой войск (сил) в зоне специальной военной операции ВС РФ на Украине.

Генерал армии (2013).

Герой Российской Федерации (2016). Награжден орденами Святого Георгия III и IV степеней (2017, 2015), "За заслуги перед Отечеством" I (2021), III (2014, с мечами), IV (2002, с мечами) степеней, Александра Невского (2020), "За военные заслуги" (2000), Почета (2012), "За службу Родине в Вооруженных Силах СССР" III степени, медалями. Также имеет ордена Дружбы народов (Белоруссия, 2010), Армии Никарагуа (2013), Боевого красного знамени Монголии (2021).

Заслуженный военный специалист РФ (2009).
Почетный гражданин Казани (2015).