Родился 12 ноября 1960 г. в г. Копейске Челябинской области в семье шахтера.
В 1983 г. окончил автотракторный факультет Челябинского политехнического института им. Ленинского комсомола (ныне в составе Южно-Уральского государственного университета).
В 1983-1988 гг. работал слесарем, мастером, старший мастером, начальником участка на Челябинском кузнечно-прессовом заводе (ЧКПЗ).
С 1988 г. по 1992 г. - председатель кооператива "Лидер", размещавшегося на ЧКПЗ.
В 1992-1996 гг. - генеральный директор страховой компании "Амеск" (г. Челябинск).
В 1996-1997 гг. - генеральный директор открытого акционерного общества (ОАО) "Челябинский кузнечно-прессовый завод".
С 1997 г. - депутат Государственной думы РФ.
14 декабря 1997 г. на дополнительных выборах по Советскому одномандатному избирательному округу №186 г. Челябинска был избран депутатом Государственной думы РФ II созыва. Баллотировался при поддержке челябинского Союза промышленников и предпринимателей. Набрал 43,52% голосов избирателей, второе место занял Юрий Горбунов – 34,55%. Избранный ранее от округа Владимир Уткин (Конгресс русских общин), досрочно сложил депутатские полномочия в связи с назначением председателем правительства Челябинской области. Валерий Гартунг являлся членом комитета Госдумы РФ по бюджету, налогам, банкам и финансам, с 1998 г. входил в депутатскую группу "Российские регионы".
В августе 1999 г. был избран членом исполкома политсовета движения "Вся Россия" (лидеры - Минтимер Шаймиев, Муртаза Рахимов, Руслан Аушев, Владимир Яковлев). Позднее движение вместе с объединением "Отечество", возглавляемым мэром Москвы Юрием Лужковым, вошло в избирательный блок "Отечество-Вся Россия".
19 декабря 1999 г. был переизбран в Госдуму РФ III созыва по Советскому одномандатному округу №186 г. Челябинска. Набрал 37,02% голосов, ближайший соперник - крупный бизнесмен и депутат областного Законодательного собрания Александр Аристов (34,65%). Гартунг входил в состав комитета Госдумы РФ по бюджету и налогам, был заместителем председателя депутатской группы "Народный депутат".
24 декабре 2000 г. баллотировался на пост губернатора Челябинской области. По итогам выборов занял третье место, набрав 14,26% голосов избирателей. Победу одержал Петр Сумин (58,68%), занимавший пост главы региона с 1996 г.
В декабре 2001 г. на съезде Российской партии пенсионеров (РПП; создана в 1997 г., лидер - Сергей Атрошенко) был избран в ее политсовет. В 2002-2004 гг. - председатель Челябинского регионального отделения РПП. После парламентских выборов декабря 2003 г. в партии произошел раскол между сторонниками Сергея Атрошенко и Валерия Гартунга. Гартунг попытался сместить Атрошенко с поста лидера партии, 27 марта 2004 г. был избран ее председателем. При его руководстве партия провела ряд успешных кампаний: 22 мая 2005 г. на выборах в Магаданскую облдуму РПП стала второй (20,7%), а 9 октября на выборах в гордуму Томска опередила "Единую Россию" на 1,5%, получив 19,5%. 26 сентября 2005 г. Атрошенко обратился в Таганский районный суд Москвы, который признал незаконность избрания Валерия Гартунга председателем партии и своим постановлением отстранил его от должности. 17 декабря 2005 г. на съезде Российской партии пенсионеров ее председателем был избран вице-губернатор Тульской области Игорь Зотов. Гартунг заявил прессе, что съезд был проведен под контролем Администрации президента РФ.
С 2003 г. является учредителем и владельцем "Детского благотворительного фонда Валерия Гартунга" (президент фонда – Марина Гартунг, супруга политика). В том же году стал соучредителем челябинской региональной общественной организации "Союз промышленников и предпринимателей".
7 декабря 2003 г. был избран в Госдуму РФ IV созыва по Советскому одномандатному округу №186 г. Челябинска, выдвигался как независимый кандидат. Набрал 68,5% голосов избирателей, его ближайший соперник – Станислав Попцов (КПРФ) - 6,73%. До 2005 г. входил во фракцию "Единая Россия", в этот же период был членом комитета Госдумы РФ по бюджету и налогам. В январе 2005 г. подписался под обращением с предложением внести на рассмотрение нижней палаты парламента вопрос об отставке правительства, которое было инициировано КПРФ и "Родиной". Был одним из трех единороссов, подписавших документ (двое других - Александр Хинштейн и Николай Безбородов). 11 февраля 2005 г. был исключен из состава фракции, стал независимым депутатом. В мае 2005 г. перешел в комитет по труду и социальной политике, в декабре 2006 г. - в комитет Госдумы РФ по промышленности, строительству и наукоемким технологиям.
В марте 2005 г. коалиция Геннадия Семигина "Патриоты России" провела презентацию сформированного ею "народного правительства России", в котором Валерий Гартунг занял пост председателя "Народного пенсионного фонда".
2 декабря 2007 г. был избран депутатом Государственной думы РФ V созыва в составе федерального списка кандидатов политической партии "Справедливая Россия: Родина/Пенсионеры/Жизнь". Был первым номером в региональной группе №78 (Челябинская область). Член комитета Госдумы РФ по бюджету и налогам, заместитель руководителя фракции "Справедливая Россия".
В декабре 2008 г. вступил в партию "Справедливая Россия" (СР). С июня 2009 г. по настоящее время - председатель совета ее Челябинского регионального отделения.
10 октября 2010 г. избирался депутатом Законодательного собрания Челябинской области V созыва по списку партии "Справедливая Россия" (получила 14,61% голосов). От мандата отказался.
4 декабря 2011 г. вновь избран депутатом Госдумы РФ VI созыва по федеральному списку политической партии "Справедливая Россия". Был первым номером в региональной группе №64 (Челябинская область). Заместитель руководителя фракции "Справедливая Россия", первый заместитель председателя комитета Госдумы РФ по промышленности.
13 сентября 2015 г. был избран депутатом Законодательного собрания Челябинской области VI созыва по списку "Справедливой России". От мандата отказался.
18 сентября 2016 г. избран депутатом Госдумы РФ VII созыва по федеральному списку политической партии "Справедливая Россия". Был первым номером в региональной группе №46 (Челябинская область). Также баллотировался по Коркинскому одномандатному округу №191 (Челябинская обл.), но проиграл выборы (34,5%) представителю "Единой России" Анатолию Литовченко (37,72%). В Думе занял пост заместителя руководителя фракции "Справедливая Россия" Сергея Миронова. Первый заместитель председателя комитета Госдумы РФ по экономической политике, промышленности, инновационному развитию и предпринимательству. Заместитель председателя комиссии по правовому обеспечению развития организаций оборонно-промышленного комплекса РФ.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва от "Справедливой России - Патриоты - За правду" (быв. "Справедливая Россия"). Был избран 19 сентября 2021 г. по Коркинскому одномандатному избирательному округу №191 (Челябинская обл.). Набрал 47,44% голосов (второе место в округе занял главврач детской городской поликлиники №8 Челябинска Антон Рыжий от "Единой России", 17,16%).
С сентября 2021 г. - заместитель руководителя фракции "Справедливая Россия - За правду" Сергея Миронова.
12 октября 2021 г. избран председателем комитета Госдумы по защите конкуренции.
Секретарь президиума центрального совета партии "Справедливая Россия" (с 2021 г. - "Справедливая Россия - За правду") по вопросам экономической политики.
Имеет благодарность президента РФ (2014), а также правительства РФ (2017).