Родился 2 сентября 1908 г. в Одессе.
В 1919-1924 гг. обучался в реальном училище в Одессе (затем было переименовано в профтехшколу). Одновременно в 1922-1924 гг. работал астрономом-наблюдателем в Одесской обсерватории. Окончив профтехшколу, с июня по декабрь 1924 г. работал слесарем и токарем-практикантом на Одесском арматурном заводе "Электрометалл".
Еще в детстве Валентин Глушко увлекся идеей полетов на Луну и межпланетных путешествий. С 1923 г. несколько лет состоял в переписке с ученым и изобретателем Константином Циолковским, одним из основоположников теоретической космонавтики.
В 1925 г. Глушко поступил на физико-математический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ, ныне Санкт-Петербургский государственный университет). Окончил вуз в 1929 г., в качестве дипломной работы представил проект межпланетного корабля с электрическими ракетными двигателями.
Будучи студентом, в 1925-1926 гг. работал механиком-оптиком в мастерских Научного института им. П. Ф. Лесгафта (расформирован в 1957 г.), в 1927 г. - геодезистом в Главном геодезическом управлении Ленинграда.
В мае 1929 г. Валентин Глушко возглавил группу разработчиков ракет и ракетных двигателей, которая начала действовать в составе Газодинамической лаборатории в Ленинграде (с ГДЛ ведет свою историю современное НПО "Энергомаш" им. академика В. П. Глушко).
В октябре 1933 г. в Москве на базе ленинградской ГДЛ и Московской группы изучения реактивного движения (до объединения МосГИРД возглавлял конструктор Сергей Королев) был организован Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ; ныне Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, входит в структуру Роскосмоса). И Валентин Глушко был назначен начальником отдела двигателей РНИИ.
В 1933-1934 гг. читал курс лекций в Военно-воздушной инженерной академии им. Н. Е. Жуковского (Москва). В 1935 г. заведовал реактивными курсами по переквалификации инженеров, а в 1945 г. - кафедрой реактивных двигателей в Казанском авиационном институте (ныне Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ).
В марте 1938 г. Валентин Глушко был арестован "за участие в контрреволюционной организации" и в августе 1939 г. приговорен к восьми годам заключения.
Отбывал наказание в конструкторских бюро особого режима (т. н. "шарашках"), подчинявшимся Народному комиссариату внутренних дел (НКВД) СССР. Сначала работал в конструкторской группе 4-го спецотдела НКВД СССР при Тушинском авиамоторостроительном заводе №82. В 1940 г. был переведен в опытно-конструкторское бюро специальных двигателей (ОКБ-СД) НКВД СССР, находящееся в Казани.
В августе 1944 г. был досрочно освобожден со снятием судимости (реабилитирован в 1956 г.).
С декабря 1944 г. по 1946 г. был главным конструктором ОКБ-СД, занимался разработкой перспективных авиационных силовых установок.
В период с 1945 по 1946 г. в составе группы советских специалистов находился в командировках в Германии, где изучал немецкую ракетную технику.
В 1946 г. ОКБ-СД перевели из Казани в подмосковный гор. Химки, и на его базе образовали опытно-конструкторское бюро №456 (ОКБ-456) по разработке мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Валентин Глушко стал главным конструктором ОКБ-456 (впоследствии КБ "Энергомаш", КБЭМ, ведущее российское предприятие по разработке и производству жидкостных ракетных двигателей).
В 1947-1952 гг. читал лекции на высших инженерных курсах при Московском высшем техническом училище (ныне Московский государственный технический университет) им. Н. Э. Баумана.
В 1953 г. Валентин Глушко был избран членом-корреспондентом Академии наук (АН) СССР по Отделению технических наук. В 1957 г. получил ученую степень доктора технических наук. В 1958 г. его избрали академиком АН СССР.
В 1974-1977 гг. возглавлял НПО "Энергия" (ныне Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С. П. Королева; гор. Королев, Московская обл.). Одновременно с 1974 г. и до конца своей жизни Валентин Глушко являлся генеральным конструктором предприятия. В этот период химкинское КБЭМ с опытным заводом "Энергомаш" (ОЗЭМ) входило в структуру НПО "Энергия" (в январе 1990 г. КБЭМ и ОЗЭМ объединили в НПО "Энергомаш").
С 1974 г. Валентин Глушко являлся генеральным конструктором ракетно-космических систем и председателем Совета главных конструкторов, осуществлял общее руководство работами предприятий и организаций по ключевым проектам советской пилотируемой космонавтики.
Был членом бюро Отделения технических наук (1960-1963) и Отделения физико-технических проблем энергетики (1963-1989) АН СССР. Возглавлял научный совет при Президиуме АН СССР по проблеме "жидкое ракетное топливо".
Избирался депутатом Верховного Совета СССР (1966-1989), членом ЦК КПСС (1976-1989).
Валентин Глушко скончался 10 января 1989 г. в Москве на 81-м году жизни. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Академик Глушко был конструктором первого в мире электротермического ракетного двигателя (1929-1933) и первых отечественных жидкостных ракетных двигателей жидкостных ракетных двигателей (ЖРД; 1930-1931). Под его руководством было разработано около 50 типов ЖРД для боевых ракет (в т. ч. для Р-12, ставшей основой первого ракетно-ядерного щита СССР) и ракет-носителей (в т. ч. для "Востока", "Протона", "Энергии" и др.). Он возглавлял работы по совершенствованию пилотируемых космических кораблей "Союз" и орбитальных станций "Салют", работы по созданию многомодульного пилотируемого орбитального комплекса "Мир" и многоразовой космической системы "Энергия-Буран".
Дважды Герой Социалистического Труда (1956, 1961). Лауреат Ленинской (1957) и Государственных (1967, 1984) премий СССР.
Был награжден пятью орденами Ленина (1956, 1958, 1968, 1975, 1978), орденами Трудового Красного Знамени (1945), Октябрьской Революции (1971), Золотой медалью им. К. Э. Циолковского (АН СССР, 1958).
Почетный гражданин Калуги (1978), Королева (Московская обл.), Химок, Байконура (Казахстан) и др. городов.
В 1991 г. его имя было присвоено НПО "Энергомаш". В 1994 г. решением Международного астрономического союза в его честь был назван кратер на видимой стороне Луны. Имя академика носят улицы в Казани, Москве, Одессе, Санкт-Петербурге, Химках и др. городах. Памятники и мемориальные доски Валентину Глушко установлены в Москве, Одессе, Байконуре (Казахстан). В память об ученом с 2019 г. в Санкт-Петербурге проводится всероссийская научно-практическая конференция "Чтения памяти академика В. П. Глушко".