Родился 27 апреля 1942 г. в Туле.
В 1965 г. окончил Первый Московский медицинский институт им. И. М. Сеченова (ныне Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова), получил диплом врача. В 1965-1966 гг. учился в клинической ординатуре Института медицинской паразитологии и тропической медицины им. Е. И. Марциновского в Москве. В 1971-1974 гг. - в аспирантуре Института медико-биологических проблем Минздрава СССР (ныне ИМБП РАН, имеющий статус государственного научного центра РФ).
Доктор медицинских наук, профессор медицины (1999).
В 1966-1967 гг. Валерий Поляков работал старшим референтом во Всесоюзном НИИ социальной гигиены и организации здравоохранения им. Н. А. Семашко (ныне Национальный НИИ общественного здоровья им. Н. А. Семашко).
В период с июля 1967 г. по октябрь 1971 г. занимал должность старшего инспектора 3-го Главного управления (космической медицины) при Минздраве СССР и по совместительству работал врачом неотложной скорой помощи.
В 1969 г. Валерий Поляков подал заявление в отряд космонавтов и в июле 1970 г. его признали годным к спецподготовке.
В 1971 г. начал работать в Институте медико-биологических проблем. С 1974 г. был младшим научным сотрудником лаборатории, с марта 1978 г. - старшим научным сотрудником. Участвовал в предполетных и послеполетных обследованиях космонавтов, работе поисково-спасательных отрядов.
22 марта 1972 г. был отобран в отряд космонавтов ИМБП, 5 мая того же года назначен кандидатом в космонавты. С октября 1978 г. по декабрь 1979 г. прошел общекосмическую подготовку в Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина (Звездный городок, Московская обл.).
В мае 1980 г. занял должность космонавта-исследователя 134-й лаборатории 13-го отдела ИМБП. С 1980 г. до октября 1989 г. возглавлял отряд врачей-космонавтов-исследователей института.
Свой первый космический полет Валерий Поляков совершил с 29 августа 1988 г. по 27 апреля 1989 г. в качестве врача-исследователя на космическом корабле "Союз ТМ-6" и советском (впоследствии - российском) орбитальном комплексе "Мир". На орбиту он отправился вместе с Владимиром Ляховым и первым афганским космонавтом Абдулом Ахадом Момандом. Работал на "Мире" с членами третьей основной экспедиции (ЭО-3) Владимиром Титовым и Мусой Манаровым, а также с участниками ЭО-4 Александром Волковым, Сергеем Крикалёвым и Жан-Лу Кретьеном (Франция). В этом полете Валерий Поляков выполнил обширную программу медико-биологических исследований, отработал новые методы медицинского обеспечения длительных экспедиций. На Землю он вернулся с космонавтами Волковым и Крикалевым на корабле "Союз ТМ-7".
С мая 1989 г. был инструктором-космонавтом-исследователем II класса.
В октябре 1989 г. Валерий Поляков был назначен на должность заместителя директора по науке ИМБП, сохранив должность инструктора-космонавта. Одновременно возглавлял работы института по оперативному медицинскому обеспечению космических полетов на орбитальной станции "Мир".
В августе 1990 г. стал заместителем руководителя полетов в Центре управления по медицинскому обеспечению полетов на станцию "Мир".
Второй полет в космос выполнил с 8 января 1994 г. по 22 марта 1995 г. как космонавт-исследователь на корабле "Союз ТМ-18". Работал на станции "Мир" с экипажами ЭО-14 (Василий Циблиев, Александр Серебров), ЭО-16 (Юрий Маленченко, Талгат Мусабаев) и ЭО-17 (Александр Викторенко, Елена Кондакова). Вернулся на Землю в составе экипажа ЭО-17 на "Союзе ТМ-20". В общей сложности Валерий Поляков провел в космосе 437 суток 17 часов 58 минут, что до настоящего времени является абсолютным мировым рекордом по длительности одного космического полета. Исследования космонавта помогли доказать, что человеческий организм готов к полетам не только на околоземную орбиту, но и в дальний космос.
Космонавт I класса (1995). Суммарный налет Валерия Полякова за два осуществленных полета - 678 суток 16 часов 32 минуты.
1 июня 1995 г. покинул отряд космонавтов ИМБП в связи с выходом на пенсию. При этом остался работать в институте заместителем директора по научной работе. Являлся также заместителем председателя Главной медицинской комиссии по освидетельствованию космонавтов.
Участвовал в международном эксперименте SFINCSS по имитации полета на космической станции. В качестве командира второго экипажа посещения провел в "наземном космосе" семь суток (11-18 февраля 2000 г.).
Был подполковником медицинской службы запаса.
Герой Советского Союза (1989), Герой Российской Федерации (1995). Летчик-космонавт СССР (1989). Был награжден орденом Ленина (1989), медалью "За заслуги в освоении космоса" (2011).
Был удостоен иностранных званий и орденов: Герой Республики Афганистан (1988) и кавалер афганского ордена "Солнце Свободы" (1988), офицер ордена Почетного легиона (Франция, 1989), кавалер ордена "Парасат" (Казахстан, 1996).
В 1994 г. стал почетным гражданином Тулы.
Автор и соавтор более 50 научных работ по проблемам космической медицины.