Родился 19 марта 1949 г. в селе Усть-Уса (Коми АССР; ныне Республика Коми) в семье Якова Степановича Леонтьева и Екатерины Ивановны Клюц. Его отец был ветеринарным врачом. Во второй половине 1950-х гг. семья проживала в Архангельской области, с начала 1960-х гг. - в гор. Юрьевец (Ивановская обл.). После окончания средней школы Валерий Леонтьев работал оператором на молочном заводе, тесемщиком на прядильной фабрике, почтальоном и электриком. В 1966 г. начал петь в местном хоре.
В 1968 г. поступил в Воркуте в филиал Ленинградского горного института им. Г. В. Плеханова (в 2013 г. присоединен к Воркутинскому филиалу Ухтинского государственного технического университета), но не окончил его. Работал лаборантом, затем - чертежником в ПечорНИИпроекте. Параллельно занимался вокалом, участвовал в художественной самодеятельности. В 1971 г. занял второе мecтo нa peгиoнaльнoм кoнкуpce "Пecня-71" с композицией "Кapнaвaл".
В апреле 1972 г. в воркутинском Дворце культуры шахтеров Валерий Леонтьев провел первый сольный концерт. В том же году в Сыктывкаре (Коми АССР) он одержал победу на республиканском молодежном фестивале-конкурсе "Мы ищем таланты". После этого был направлен для обучения в Москву во Всесоюзную творческую мастерскую эстрадного искусства. Занимался в ней под руководством заслуженного артиста РСФСР Георгия Виноградова.
В 1973-1978 гг. Валерий Леонтьев был солистом Сыктывкарской филармонии. Выступал в составе молодежного эстрадного ансамбля "Мечтатели", затем - вокально-инструментального ансамбля "Эхо" (сотрудничал с ним по конец 2010-х гг.). Вместе с "Эхом" участвовал в концертных программах "Карнавал на севере" и "Улыбка северной земли". Гастролировал по Коми АССР и соседним регионам, выступал на комсомольских стройках Урала и Сибири.
В 1979-1983 гг. - солист Горьковской филармонии (ныне - Нижегородская государственная академическая филармония им. М. Л. Ростроповича).
В 1980 г. Валерий Леонтьев выступил с сольными концертами в Московском государственном театре эстрады. С начала 1980-х гг. активно гастролировал в различных городах Советского Союза.
В 1983-1995 гг. являлся солистом Луганской (до 1990 г. - Ворошиловградской) филармонии.
В 1985 г. выступал с концертами перед советскими военнослужащими в Афганистане.
В 1987 г. Валерий Леонтьев заочно окончил Ленинградский государственный институт культуры им. Н. К. Крупской (ныне Санкт-Петербургский государственный институт культуры). В качестве дипломной работы представил собственную шоу-программу "Признание".
В 1988-1989 гг. в Москве и Ленинграде (ныне Санкт-Петербург) участвовал в постановках рок-оперы Лоры Квинт "Джордано" (исполнял три роли - Джордано Бруно, Шута и Сатаны).
В 1992-1998 гг. Валерий Леонтьев работал с шоу-балетом Аллы Духовой "Тодес".
С 1998 г. по н. в. выступал со своим шоу-балетом "Опасные связи".
В 2020-х гг. прекратил участие в концертах. В 2024 г. официально объявил об уходе со сцены.
Валерий Леонтьев является одним из наиболее видных российских исполнителей популярной музыки. Среди его наиболее известных песен: "Ненаглядная сторона", "Полет на дельтаплане", "Исчезли солнечные дни", "Казанова", "Маргарита", "Ты меня не забывай", "Августин", "Девять хризантем" и др. На протяжении карьеры сотрудничал с Давидом Тухмановым, Раймондом Паулсом, Александрой Пахмутовой и другими известными композиторами.
Валерий Леонтьев записал более двадцати студийных музыкальных альбомов, представил несколько десятков концертных программ.
Снимался в фильмах: "На чужом празднике" (1981, режиссер Владимир Лаптев), "Захочу - полюблю" (1990, Василий Панин), "Экстрасенс" (1991, Геннадий Глаголев). Также исполнил роль Короля в телемюзикле "Золушка" (2002, Семен Горов).
Член Международного союза деятелей эстрадного искусства.
Входит в состав попечительского совета благотворительного фонда "Подари завтра!".
Народный артист РФ (1996).
Награжден орденами Почета (2009), Дружбы (2014), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2022, 2005).
Лауреат премии Ленинского комсомола (1985) и специальной премии президента Белоруссии "Через искусство - к миру и взаимопониманию" (2009).
Обладатель первых премий Всесоюзного конкурса на лучшеe исполнение песен стран социалистического содружества (Ялта, 1979) и Международного песенного фестиваля "Золотой Орфей" (Солнечный Берег, Болгария, 1980). Многократный лауреат музыкального телевизионного фестиваля "Песня года" и музыкальной премии "Золотой граммофон".
Женат. Супруга - Людмила Яковлевна Исакович (род. 1953).