Родился 17 августа 1939 г. в Вологде в семье Александра Павловича Белова и Клавдии Михайловны Гаврилиной. В 1939-1941 гг. семья проживала в г. Кадникове (Вологодская область). В начале Великой Отечественной войны отец ушел добровольцем на фронт, погиб в августе 1942 г. в бою под Ленинградом (ныне - Санкт-Петербург). Мать работала директором одного из детских домов Вологодской области. В 1950 г. на основании ложного доноса она была обвинена в растрате и осуждена на десять лет.
В 1950-1953 гг. Валерий Гаврилин воспитывался в детском доме с. Ковырино (Вологодская обл.). Пел в хоре, играл в оркестре народных инструментов. С 1951 г. обучался игре на фортепиано в Вологодской музыкальной школе №1.
В 1953-1958 гг. занимался в Средней специальной музыкальной школе при Ленинградской государственной консерватории им. Н. А. Римского-Корсакова (ныне - Средняя специальная музыкальная школа-лицей при Санкт-Петербургской государственной консерватории им. Н. А. Римского-Корсакова).
В 1958 г. поступил в Ленинградскую консерваторию на отделение композиции в класс доцента Ореста Евлахова. В 1962 г. перешел на отделение музыковедения, где занимался в классе преподавателя Феодосия Рубцова. Окончил его в 1964 г. (в том же году экстерном завершил обучение на отделении композиции).
В 1965-1974 гг. преподавал в Музыкальном училище при Ленинградской консерватории теоретические дисциплины и композицию.
Известность композитору принес вокальный цикл "Русская тетрадь", созданный в 1965 г. на основе народных текстов, собранных автором в фольклорных экспедициях. В том же году Валерий Гаврилин был принят в Союз композиторов СССР.
В 1970 г. Валерий Гаврилин сочинил вокальный цикл "Времена года" на народные слова и стихи Сергея Есенина, в 1972 г. - вокально-симфоническую поэму "Военные письма" на стихи Альбины Шульгиной и вокальный цикл "Немецкая тетрадь №2" на стихи Генриха Гейне.
В 1974 г. композитор создал вокально-симфонический цикл "Земля" на стихи Альбины Шульгиной. Он был посвящен памяти 18-летнего тракториста Анатолия Мерзлова, погибшего в 1972 г. при спасении урожая в Рязанской области.
Одним из наиболее значительных произведений Валерия Гаврилина стала хоровая симфония-действо "Перезвоны" (1982) на собственные слова, стихи Альбины Шульгиной и народные тексты. На его музыку народный артист СССР Владимир Васильев поставил телевизионные балеты "Анюта" (1982) и "Дом у дороги" (1984), режиссер Александр Белинский - балет "Женитьба Бальзаминова" (1989).
Автор музыки к фильмам "В день свадьбы" (1968, режиссер Вадим Михайлов), "Счастье Анны" (1970, Юрий Рогов), "Месяц август" (1971, Вадим Михайлов), "Деревенская история" (1981, Виталий Каневский) и др., а также к 40 драматическим спектаклям. С песнями на музыку Валерия Гаврилина выступали Эдуард Хиль ("Атака", "Когда утихнут бои", "Нам ли Севера бояться"), Людмила Сенчина ("Город спит", "Черемуха") и другие эстрадные исполнители.
Валерий Гаврилин скончался 28 января 1999 г. в Санкт-Петербурге на 60-м году жизни. Похоронен на Литераторских мостках Волковского кладбища в Санкт-Петербурге.
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1979). Народный артист РСФСР (1985).
Лауреат Государственной премии РСФСР им. М. И. Глинки за 1967 г., премии Ленинского комсомола за 1980 г., Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры за 1985 г.
В 2001 г. вышла книга Валерия Гаврилина "О музыке и не только…", в 2005 г. - сборник его статей, выступлений и интервью "Слушая сердцем...".
Был женат на Наталье Евгеньевне Гаврилиной. Сын - Андрей (род. 1960, инженер).