Родился 2 июля 1953 г. в с. Скипче Городокского района Хмельницкой области Украинской ССР (ныне - Украина).
В 1973 г. окончил краснознаменное командное училище железнодорожных войск и военных сообщений им. М. В. Фрунзе (ныне - Военный институт железнодорожных войск и военных сообщений Военной академии материально-технического обеспечения) по специальности "мостостроитель". В 1986 г. получил диплом Военной академии тыла и транспорта (ныне - Военная академия материально-технического обеспечения имени А. В. Хрулева, Санкт-Петербург).
В 1970-1999 гг. служил в строительных подразделениях Вооруженных силах СССР и РФ. После училища пять лет служил на советско-иранской границе. Участвовал в строительстве дорог в Азербайджане, Украине, Карелии, Сибири.
В 1988-1993 гг. был командиром бригады дорожно-строительных войск в г. Тотьма (Вологодская область). Его подразделение занималось прокладкой дорог в Бабушкинском, Междуреченском, Тотемском районах области в рамках программы "Дороги Нечерноземья".
В 1993-1995 гг. был заместителем командира, в 1995-1999 гг. - командиром 62-го дорожно-строительного корпуса (в/ч 31828, дислоцирован в Вологодской, Архангельской, Пермской, Кировской областях и Удмуртии) вплоть до его переформирования в государственное унитарное предприятие "Управление дорожного строительства №2".
Параллельно службе в 1980-х гг. избирался депутатом Петрозаводского районного совета Петрозаводска, Октябрьского районного совета народных депутатов Барнаула. В 1990-1993 гг. был депутатом Вологодского областного совета народных депутатов.
С 1999 г. занялся политической деятельностью. Был председателем комитета вологодского регионального отделения Народной партии России.
С 1999 по 2011 г. и с 2012 по 2021 г. - депутат Государственной думы Федерального собрания РФ III-VII созывов.
19 декабря 1999 г. был избран депутатом Госдумы РФ III созыва по Вологодскому одномандатному избирательному округу №72 (Вологодская область). Баллотировался как независимый кандидат, по итогам голосования получил 30,10% голосов, второе место занял Александр Лешуков от блока "Отечество - вся Россия" (22,10%). После выборов Валентин Чайка вошел в депутатскую группу "Народный депутат", позднее перешел во фракцию "Отечество - Единая Россия". С 2000 г. был заместителем председателя парламентского комитета по обороне, в 2001 г. перешел в комитет по энергетике, транспорту и связи. С 2001 г. также входил в депутатскую межфракционную группу "Честь, долг, Отечество - кадровые военные".
В 2000-2001 гг. занимал пост заместителя председателя парламентского комитета по обороне.
7 декабря 2003 г. переизбран в Госдуму IV созыва по Вологодскому одномандатному округу №74 (Вологодская область) от Народной партии. Набрал 50,52% голосов, его ближайший соперник - самовыдвиженец Михаил Суров - получил 16,82%. В Думе Валентин Чайка был членом комитета по энергетике, транспорту и связи, по труду и социальной политике, входил в состав комиссии по мандатным вопросам и вопросам депутатской этики. Являлся членом фракции "Единая Россия".
2 декабря 2007 г. был переизбран депутатом Госдумы РФ V созыва. Баллотировался по федеральному списку партии "Единая Россия" под четвертым номером в региональной группе №76 (Ульяновская область). Входил во фракцию "Единая Россия", был членом думского комитета по безопасности, а также комиссии Госдумы по рассмотрению расходов федерального бюджета, направленных на обеспечение обороны и государственной безопасности РФ.
В 2011 г. баллотировался в Госдуму VI созыва по федеральному списку "Единой России" (пятый номер региональной группы №74, Ульяновская область), однако по итогам распределения мест в парламент не прошел.
В январе - октябре 2012 г. был руководителем секретариата вице-спикера Госдумы Сергея Неверова ("Единая Россия").
31 октября 2012 г. ЦИК России передал Валентину Чайке мандат депутата Госдумы Михаила Исаева, перешедшего в Совет Федерации. 7 ноября 2012 г. Валентин Чайка приступил к исполнению депутатских полномочий в Государственной думе VI созыва. Он вошел во фракцию "Единая Россия", работал в думском комитете по безопасности и противодействию коррупции.
18 сентября 2016 г. был избран в Госдуму РФ VII созыва по списку "Единой России" (был пятым номером в региональной группе №13, Республика Татарстан). Член фракции "Единая Россия".
Входил в генеральный совет партии "Единая Россия".
Председатель Союза пенсионеров РФ в 2006-2008 гг., затем - почетный председатель Союза.
Генерал-лейтенант запаса.
Награжден орденами Александра Невского (2014), Почета (2005), "За службу Родине в Вооруженных Силах СССР" II и III степеней, медалями, именным оружием.
Имеет благодарность правительства РФ (2017).
Заслуженный строитель РФ.