Родился 10 мая 1951 г. в пос. Еланском (Камышловский район Свердловской обл.).
В 1973 г. окончил в Свердловске (ныне Екатеринбург) Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова (УПИ, ныне Уральский федеральный университет им. первого президента России Б. Н. Ельцина, УрФУ) с квалификацией "Инженер химик-технолог", в 1976 г. - аспирантуру, а в 1982 г. - докторантуру при кафедре органической химии этого же вуза.
Доктор химических наук. Кандидатскую диссертацию защитил в УПИ в 1976 г. (тема: "Замещение водорода в азиниевых катионах ароматическими нуклеофилами", докторскую - в 1987 г. (тема: "Реакции азинов с бифункциональными нуклеофилами").
В 1997 г. был избран членом-корреспондентом, в 2002 г. - академиком Российской академии наук (РАН). Является членом Отделения химии и наук о материалах РАН.
В 1976-1981 гг. - научный сотрудник, в 1982-1987 гг. - старший научный сотрудник, с 1988 г. - профессор кафедры органической химии УрФУ. Также в университете является научным руководителем лаборатории анализа органических соединений и заведующим лабораторией синтеза биологически активных соединений. В 2011 г. ему было присвоено звание почетного доктора УрФУ.
В 1981-1982 и 1988 гг. Валерий Чарушин занимался исследованиями в Вагенингенском университете (Нидерланды).
В 1999-2008 гг. - заместитель председателя, с 2008 г. по сентябрь 2022 г. - председатель Уральского отделения (УрО) РАН. В феврале 2021 г. заявлял, что не будет переизбираться на пост главы отделения в 2022 г.
С 2004 г. по май 2021 г. - директор Института органического синтеза (ИОС) им. И. Я. Постовского УрО РАН. В настоящее время - главный научный сотрудник, заведующий лабораторией гетероциклических соединений ИОС УрО РАН.
С 1 июня 2013 г. по 22 сентября 2022 г. был вице-президентом Российской академии наук.
Валерий Чарушин - специалист в области химии гетероциклических соединений. Участвовал в создании лекарственных препаратов: противовирусного триазавирина, антибактериального левофлоксацина и противоопухолевого лизомустина. Руководил созданием новой технологии получения триаминотринитробензола (ТАТБ) - мощного взрывчатого вещества с низкой чувствительностью к удару и пожаростойкостью.
Входил в состав Совета при президенте РФ по науке и образованию (2004-2006).
Награжден орденами Почета (2008), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2012), Александра Невского (2024), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2002).
Лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники 2011 г. ("за крупный вклад в развитие органического синтеза, разработку инновационных технологий производства лекарственных средств и материалов, в том числе специального назначения", совместно с Борисом Трофимовым и Олегом Чупахиным).
Удостоен Демидовской премии (2023, "за выдающийся вклад в развитие химии гетероциклических соединений и новых технологий органического синтеза").
Член Менделеевского химического общества.
Почетный доктор Уральского федерального университета (2011) и Южного федерального университета (2020).
Почетный гражданин Екатеринбурга (2012).
Автор и соавтор более 500 публикаций, более 20 обзоров и 40 изобретений. В их числе - книги "Нуклеофильное ароматическое замещение водорода" (1994) и "Фторхинолоны. Синтез и применение" (2014). Среди патентов: "Способ лечения гнойных ран в эксперименте" (2011), "Фармацевтическая композиция для лечения герпетических инфекций" (2014), "Способ профилактики маститов у высокопродуктивных коров" (2016).