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.
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".
Доктор экономических наук. В 2000 г. в Институте региональных экономических исследований защитил диссертацию "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 (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, который в 1992 г. преобразован в Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ).
Избирался в городской Совет народных депутатов. В 1996-2001 гг. - депутат городской думы г. Сарова. Заместитель, первый заместитель председателя гордумы по экономике и финансам.
Возглавлял межрегиональную ипотечную компанию, международный научно-учебный центр "Экономика регионального развития" при Саровском физико-техническом институте (СарФТИ; ныне - СарФТИ Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"). Заведовал кафедрой "Новые финансовые технологии" СарФТИ.
С 2001 по 2003 г. - министр строительства и жилищно-коммунального хозяйства Нижегородской области. Был назначен в мае 2001 г. губернатором Иваном Скляровым, сохранил пост после избрания в июле 2001 г. нового главы области Геннадия Ходырева.
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 по строительству, энергетике, жилищно-коммунальному хозяйству и информационным технологиям.
В 2007 г. Валерий Лимаренко перешел в госкорпорацию "Росатом", которую возглавил Сергей Кириенко. 25 мая 2007 г. он был назначен директором АО "Нижегородская инжиниринговая компания "Атомэнергопроект" (АО "НИАЭП") - первой инжиниринговой компании "Росатома" по строительству и комплектации АЭС. Она была образована на базе нижегородского ФГУП "Атомэнергопроект" для строительства АЭС на севере области.
С ноября 2011 г. по ноябрь 2012 г. в связи с объединением АО "НИАЭП" и АО "Атомстройэкспорт" - президент АО "Атомстройэкспорт" (АСЭ). Руководство АСЭ совмещал с должностью директора АО "НИАЭП".
В ноябре 2012 г. был назначен президентом АО "НИАЭП" (управляющая организация АО "Атомстройэкспорт", с 2014 г. - АО "Атомэнергопроект", с 2015 г. - АО "Атомпроект"). В декабре 2016 г. стал президентом АО "Инжиниринговая компания "АСЭ" (в связи с переименованием АО "НИАЭП"), управляющей организации группы компаний АSE. Являлся руководителем группы компаний ASE.
Заведующий 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 назначен врио губернатора Сахалинской области. Прежний руководитель области Олег Кожемяко в сентябре 2018 г. занял пост врио главы Приморского края.
8 сентября 2019 г., в единый день голосования, избран губернатором Сахалинской области. За него проголосовали 56,14 % избирателей (в выборах участвовал 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.
Член президиума Государственного совета РФ. С декабря 2020 г. - председатель комиссии Госсовета по направлению "Инвестиции".
Член комиссии генсовета "Единой России" по международному сотрудничеству и поддержке соотечественников за рубежом (с ноября 2021 г.).
Являлся вице-президентом Международной ассоциации фондов жилищного строительства и ипотечного кредитования.
В разные годы был президентом Международного научно-учебного центра "Экономика регионального развития" при СарФТИ, вице-президентом Международной ассоциации фондов жилищного строительства и ипотечного кредитования (МАИФ), президентом Высшей инжиниринговой школы Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ).
Награжден орденами Почета (2010), Александра Невского (2016), "За заслуги перед Отечеством" III степени (2023). Удостоен государственной награды Китайской Народной Республики - ордена Дружбы.
Имеет ордена Русской православной церкви - преподобного Сергия Радонежского III степени и преподобного Серафима Саровского III и II степеней.
Автор более 25 научных работ, в том числе трех монографий: "Дом для Вашей семьи на большой Волге" (1999), "Ипотека: шаг за шагом" (1999), "Ипотека: стратегия развития" (2000).