Родился 19 октября 1960 г. в г. Харькове Украинской ССР (ныне Украина) в семье военного летчика.
В 1983 г. окончил Харьковский авиационный институт (ныне Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт") по специальности "жидкостные реактивные двигатели", получив квалификацию инженера-механика двигателей летательных аппаратов.
Доктор экономических наук. В 1999 г. в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете защитил диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук по теме "Управление процессом ипотечного кредитования в муниципальном образовании". В 2000 г. в Институте региональных экономических исследований защитил докторскую диссертацию по теме "Формирование и развитие муниципальной системы управления ипотечным жилищным кредитованием в условиях переходной экономики".
В 1983-1984 гг. - инженер-конструктор Всесоюзного научно-исследовательского института экспериментальной физики в г. Арзамасе-16 (г. Саров, Нижегородская область).
В 1984-1988 гг. был заместителем, затем секретарем комитета ВЛКСМ научно-исследовательского института, занимался вопросами молодежно-строительных комплексов.
В 1988 г. вернулся к научной деятельности. Был начальником группы, ведущим инженером-исследователем, ведущим экономистом ВНИИ экспериментальной физики (в 1992 г. преобразован в Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, РФЯЦ-ВНИИЭФ).
Неоднократно избирался депутатом гордумы Сарова. В 1996-2001 гг. был первым заместитель председателя гордумы по экономике и финансам.
Одновременно возглавлял международный научно-учебный центр "Экономика регионального развития" при Саровском физико-техническом институте (СарФТИ; ныне в составе Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"). Заведовал кафедрой "Новые финансовые технологии" СарФТИ.
С 2001 по 2003 г. - министр строительства и жилищно-коммунального хозяйства Нижегородской области.
В 2003-2005 гг. работал в аппарате полномочного представителя президента РФ в Приволжском федеральном округе Сергея Кириенко. Занимал должность главного федерального инспектора по Нижегородской области.
С августа 2005 г. по май 2007 г. - заместитель губернатора Нижегородской области Валерия Шанцева, заместитель председателя правительства региона по строительству, энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству и информационным технологиям.
В 2007 г. Валерий Лимаренко перешел в госкорпорацию "Росатом". Был назначен директором АО "Нижегородская инжиниринговая компания "Атомэнергопроект" (АО "НИАЭП").
В 2012 г. занял должность президента группы компаний "Атомстройэкспорт", включающей в себя проектные институты, инжиниринговые и строительные компании.
В 2016 г. также возглавил инжиниринговое подразделение госкорпорации "Росатом".
Заведовал кафедрой "Системы управления жизненным циклом сложных инженерных объектов" Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им. Р. Е. Алексеева, почетный доктор НГТУ.
7 декабря 2018 г. указом президента РФ был назначен врио губернатора Сахалинской области. Сменил на этом посту Олега Кожемяко.
8 сентября 2019 г. Валерий Лимаренко был избран губернатором Сахалинской области на прямых выборах. За него проголосовали 56,14% избирателей (баллотировался в порядке самовыдвижения). Второе место занял кандидат от КПРФ, депутат Госдумы РФ Алексей Корниенко (24,21%). 12 сентября того же года Валерий Лимаренко официально вступил в должность.
8 сентября 2024 г. вновь победил на выборах губернатора Сахалинской области, получив 80,79% голосов избирателей (был выдвинут "Единой Россией"). Его ближайший соперник, кандидат от КПРФ, депутат облдумы Павел Ашихмин, набрал 7,56%. 11 сентября того же года Валерий Лимаренко принял присягу.
Член комиссии генсовета "Единой России" по международному сотрудничеству и поддержке соотечественников за рубежом (с ноября 2021 г.). Секретарь сахалинского регионального отделения партии.
Входит в состав президиума Государственного совета РФ. Председатель комиссии Госсовета по направлению "Инвестиции".
Член попечительского совета Фонда развития территорий (с апреля 2022 г.).
В разные годы был президентом Международного научно-учебного центра "Экономика регионального развития" при СарФТИ, вице-президентом Международной ассоциации фондов жилищного строительства и ипотечного кредитования, президентом высшей инжиниринговой школы Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ".
Награжден орденами Почета (2010), Александра Невского (2016), "За заслуги перед Отечеством" III степени (2023). Имеет государственную награду Китайской Народной Республики - орден Дружбы.
Награжден орденами Русской православной церкви - Преподобного Сергия Радонежского III степени и Преподобного Серафима Саровского III и II степеней.
Автор более 25 научных работ, в том числе монографий "Дом для Вашей семьи на большой Волге" (1999), "Ипотека: шаг за шагом" (1999), "Ипотека: стратегия развития" (2000).