Родился 20 октября 1957 г. в с. Нукуты Нукутского района Усть-Ордынского Бурят-Монгольского национального округа (ныне – Иркутская область). Его отец - Георгий Иннокентьевич Петров – с 1972 по 1991 г. занимал должность первого секретаря Нукутского районного комитета Коммунистической партии Советского Союза (КПСС).
В 1979 г. Валерий Петров окончил юридический факультет Иркутского государственного университета им А. А. Жданова (ныне - Иркутский государственный университет).
С 1979 по 1983 г. был старшим юрисконсультом производственного управления сельского хозяйства Нукутского райисполкома Усть-Ордынского Бурятского автономного округа.
С декабря 1983 г. работал в органах прокуратуры Бурятской АССР (ныне – Республика Бурятия). Занимал должности прокурора отделения по надзору за следствием и дознанием в органах МВД, прокурора следственного отдела, помощника прокурора г. Улан-Удэ.
В 1984-1985 гг. - старший следователь прокуратуры г. Улан-Удэ.
В 1985-1987 гг. - заместитель прокурора Советского района г. Улан-Удэ.
В 1987-1992 гг. – прокурор Иволгинского района Бурятии.
С 1992 по 1997 г. – старший помощник прокурора Республики Бурятия по кадрам, в 1997-1998 гг. - начальник отдела кадров прокуратуры Республики Бурятия.
В 1998-2006 гг. – заместитель прокурора Республики Бурятия (с 2002 г. работал под руководствам Ивана Семчишина, в настоящее время – заместителя генерального прокурора РФ).
С 15 ноября 2006 г. по 28 июня 2017 г. Валерий Петров занимал должность прокурора Республики Бурятия. В годы его работы в республике по обвинению в коррупции к уголовной ответственности был привлечен ряд высокопоставленных чиновников. В частности, в 2008 г. за злоупотребление служебными полномочиями к четырем и трем годам лишения свободы условно были приговорены бывшие министр финансов Бурятии Александр Налетов и глава администрации президента республики Иннокентий Дагбаев. В 2009 г. по обвинению в мошенничестве с использованием служебного положения был осужден бывший министр образования и науки Бурятии Сергей Намсараев. Его приговорили к штрафу в размере 150 тыс. руб.
В 2011 г. был вынесен приговор по громкому делу об убийстве семи предпринимателей, в том числе пяти женщин, из Закаменского района Бурятии. Главарь банды, совершившей преступление, был приговорен к высшей мере наказания. В 2015 г. к 2 годам и 6 месяцам лишения свободы по обвинению в злоупотреблении служебными полномочиями был осужден экс-министр сельского хозяйства Бурятии Александр Манзанов.
28 июня 2017 г. Совет Федерации РФ назначил Валерия Петрова заместителем генерального прокурора РФ – главным военным прокурором РФ. На этом посту он сменил Сергея Фридинского, который возглавлял военную прокуратуру с 2006 по 2017 г.
Общая сумма декларированного годового дохода Валерия Петрова за 2016 г. составила 3 млн 922 тыс. руб., его супруги - 3 млн 309 тыс. руб.
Государственный советник юстиции I класса (2018).
Награжден орденами Александра Невского (2021), Почета (2017), медалью "За заслуги перед Отечеством" II степени (2017). Отмечен почетной грамотой президента РФ (2015).
Заслуженный работник прокуратуры РФ (2011).