Родился 20 января (2 февраля по н/с) 1904 г. в селе Василёво Нижегородской губернии (ныне город Чкаловск). Русский.

Отец, Павел Григорьевич Чкалов — котельщик Василёвских казённых мастерских. Мать, Ирина Ивановна Чкалова — домохозяйка, умерла в 1910 году, когда Валерию было 6 лет. Вторая жена отца — Наталья Георгиевна.

В семь лет Чкалов пошёл учиться в василёвскую начальную школу, которую окончил в 1916 году. Учился средне, но выделялся отличной памятью и хорошими математическими способностями, имел спокойный, уравновешенный характер, как и многие сверстники, хорошо плавал, переплывал Волгу, нырял под плоты и пароходы.

В 1916 году отец направляет его на учёбу в Череповецкое техническое училище (ныне БОУ СПО ВО «Череповецкий лесомеханический техникум имени В. П. Чкалова»). Однако из-за материальных трудностей и нехватки преподавателей в 1918 году училище было закрыто. Валерий вернулся домой и стал работать с отцом подручным молотобойца, а с началом навигации — кочегаром на землечерпалке «Волжская-1» и пароходе «Баян».

В 1919 году (в 15 лет) Валерий Чкалов впервые увидел самолёт и, загоревшись мечтой об авиации, уехал в Нижний Новгород, где встретил односельчанина Владимира Фролищева, который работал бригадиром по сборке самолётов в 4-м Канавинском авиационном парке. По его совету Валерий в возрасте 15 лет вступил добровольцем в ряды Красной армии и начал работать учеником слесаря-сборщика самолётов в этом авиапарке.

В 1921 году (в 17 лет) Чкалов добился направления на учёбу в Егорьевск в Теоретическую школу авиации Рабоче-крестьянского красного воздушного флота РСФСР. После её окончания в апреле 1923 года (в 19 лет) он был направлен на дальнейшую учёбу в Борисоглебск во 2-ю военную школу летчиков Красного воздушного флота, где совершил свой первый самостоятельный полёт на самолёте Avro 504. По окончании училища в октябре 1923 года, в соответствии со сложившейся в то время практикой подготовки военных лётчиков, Чкалов был направлен на обучение в Москву в 1-ю Высшую школу красных военных лётчиков РККА ВВФ, где он осваивал боевые самолёты (истребители Martinsyde и Фоккер С-3). В конце мая 1924 года Чкалов прибыл в Серпухов для обучения в Высшей военной авиационной школе воздушной стрельбы и бомбометания. Лётчиком-инструктором у Чкалова в Серпухове был Михаил Михайлович Громов.

14 августа 1924 года военный лётчик-истребитель Чкалов, для дальнейшего прохождения службы, прибыл в Ленинград, в «1-ю отдельную эскадрилью истребителей» (Комендантский аэродром). За время службы в эскадрилье он проявил себя как дерзкий и отважный лётчик. Совершал рискованные полёты, за что получал взыскания и неоднократно отстранялся от полётов. Широко известен случай, когда Чкалов пролетел под мостом Равенства (Троицким) в Ленинграде. Для фильма «Валерий Чкалов» этот полёт совершил лётчик Евгений Иванович Борисенко. В то же время имел серьёзные проблемы с дисциплиной, которые окончились крупными неприятностями — 16 ноября 1925 года Чкалов был осуждён военным трибуналом на 1 год лишения свободы за «дискредитацию авторитета и звания командира-бойца Красной армии» (вышел на службу в пьяном виде). Затем срок был снижен до 6 месяцев.

В январе 1925 года 1-й советской эскадрилье было присвоено почётное наименование «эскадрилья имени В. И. Ленина».

В 1926 году 1-я истребительная авиационная эскадрилья перебазируется с Комендантского аэродрома на аэродром Троцка (сегодня — Гатчина).

В январе 1927 года 1-я эскадрилья перестала считаться отдельной и, сохранив номер «1», вошла в состав 1-й авиабригады.

В честь 10-й годовщины РККА (28 февраль 1928 года) Постановлением ЦИК СССР 1-я авиаэскадрилья за боевые заслуги в годы Гражданской войны награждается орденом Красного знамени СССР, и с этого момента именуется «Краснознамённой».

В феврале 1927 года Чкалов женился на ленинградской учительнице Ольге Ореховой.

В конце июня 1927 года был направлен в Липецк на курсы усовершенствования лётного мастерства. В это время в Липецке обучались иностранные (в основном немецкие) лётчики-истребители. В показательных полётах Чкалов занял 1-е место.

В честь 10-й годовщины Октябрьской революции в Москве был организован военный парад. 8 ноября на Центральном аэродроме в Москве состоялся воздушный праздник с демонстрацией личных достижений лётчиков. Чкалов был среди участников этого праздника и ему было разрешено делать фигуры высшего пилотажа на малой высоте.

15 декабря 1927 года Чкалов прибыл в Брянск, в 15-ю авиационную бригаду имени ЦИК СССР, а его беременная жена осталась в Ленинграде. Сын Игорь родился 1 января 1928 года.

В Брянске Чкалов совершил аварию. На перелёте из Гомеля в Брянск в составе звена он был левым ведомым. Ведущий звено, старший лётчик И. И. Козырев, вёл звено на предельно малой высоте, меняя её в зависимости от высоты местных предметов и доводя до 3-5 метров. При подлёте к железной дороге Унеча — Орша Чкалов врезался в железнодорожные провода и потерпел аварию. В приказе начальника ВВС Белорусского военного округа были определены виновники аварии: ведущий Козырев и ведомый Чкалов, но командование авиабригады решило строго наказать только Чкалова. Он был обвинён в воздушном лихачестве и многочисленных нарушениях дисциплины. Приговором военного трибунала Белорусского военного округа от 30 октября 1928 года Чкалов был осуждён по статье 17 пункт «а» Положения о воинских преступлениях и по статье 193-17 УК РСФСР на 1 год лишения свободы, а также был уволен из Красной армии.

Отбывал наказание недолго, по ходатайству Я. И. Алксниса и К. Е. Ворошилова, менее чем через 1 месяц наказание было заменено на условное, и Чкалов был освобождён из Брянской тюрьмы.

Будучи в запасе, в начале 1929 года Чкалов вернулся в Ленинград и по ноябрь 1930 года работал в Ленинградском Осоавиахиме, где руководил школой планеристов и был лётчиком-инструктором.

В ноябре 1930 года Чкалов был восстановлен в РККА и направлен на работу в московский Научно-исследовательский институт ВВС РККА.

За 2 года работы в НИИ он совершил более 800 испытательных полётов, освоив технику пилотирования 30 типов самолётов.

3 декабря 1931 года Чкалов участвовал в испытаниях авиаматки (воздушного авианосца), которая представляла собой тяжёлый бомбардировщик, нёсший на своих крыльях и фюзеляже до 5 самолётов-истребителей.

В 1932 году НИИ ВВС был переведён с Ходынского поля в Москве на аэродром в районе города Щёлково Московской области. Перебазирование из обыденного события превратилось в первый в СССР воздушный парад с пролётом над Красной площадью. 45 самолётов летели колонной по три машины в ряд, а во главе шёл бомбардировщик ТБ-3 с бортовым номером 311, управлявшийся экипажем Валерия Чкалова.

С января 1933 года Валерий Чкалов вновь в запасе и переведён на работу лётчиком-испытателем Московского авиационного завода № 39 имени Менжинского. Совместно со своим старшим товарищем Александром Анисимовым он испытывал новейшие самолёты-истребители 1930-х годов И-15 (биплан) и И-16 (моноплан) конструкции Поликарпова. Принимал участие в испытаниях истребителей танков «ВИТ-1», «ВИТ-2», а также тяжёлых бомбардировщиков «ТБ-1», «ТБ-3», большого количества опытных и экспериментальных машин ОКБ Поликарпова. Автор новых фигур высшего пилотажа — восходящего штопора и замедленной бочки.

5 мая 1935 года авиаконструктор Николай Поликарпов и лётчик-испытатель Валерий Чкалов за создание лучших самолётов-истребителей были награждены высшей правительственной наградой — орденом Ленина.

Чкалов погиб 15 декабря 1938 года при проведении 1-го испытательного полёта на новом истребителе И-180 на Центральном аэродроме.

Полёт готовился в большой спешке, чтобы успеть до конца года. Выпуск самолёта на аэродром назначался на 7 ноября, 15 ноября, 25 ноября.

2 декабря на собранной машине было выявлено 190 дефектов. Н. Н. Поликарпов протестовал против ненужной гонки при подготовке И-180 к первому вылету, ввиду чего был отстранён от этих работ.

7 декабря И-180 вывезли на аэродром; 10 декабря В. П. Чкалов произвёл рулёжку самолёта по земле, при которой мотор часто глох; 12 декабря при повторной рулёжке сломалась тяга управления газом мотора.

13 декабря Поликарпов представил программу испытаний И-180: полётное задание предписывало совершить пробный полёт по кругу в течение 10—15 минут без уборки шасси. Впоследствии, после тщательного осмотра всей машины, планировалось осуществить испытательный полёт и 1—2 полёта по 30—60 минут; наконец полёт с убранным шасси до высоты 7 000 метров.

Валерий Чкалов должен был совершить только 1-й, самый дорогой по оплате полёт, после чего машина переходила в руки другого лётчика — С. П. Супруна.

По воспоминаниям Д. Л. Томашевича, в этот день температура воздуха была «около минус 25 °C… Поликарпов будто бы отговаривал Чкалова вылетать, но тот не согласился».

Несмотря на очень низкую температуру, вылет прошёл неплохо, машина набрала высоту 100—120 метров и с виражом пошла на 1-й круг над аэродромом. Далее полёт продолжался на высоте 500—600 метров.

После 1-го круга самолёт пошёл на 2-й круг, растянув последний в сторону завода № 22. По свидетельству В. К. Коккиннаки, который в это время летал в районе аэродрома на высоте 2000 метров, Чкалов подлетел к нему, показал большой палец, мол, всё отлично, после чего пошёл на посадку.

По свидетельству наблюдателей, находившихся на аэродроме, «не доходя до аэродрома один-полтора километра, на высоте около 100 метров самолёт сделал вираж влево и скрылся за постройками». При заходе на посадку двигатель М-88 неожиданно остановился. Лётчик, как отмечено было в акте комиссии по расследованию причин аварии, «до последнего момента управлял самолётом и пытался сесть и сел вне площади, занятой жилыми домами», в районе автобазы Мосжилгосстроя (Магистральная ул., д. № 13).

Но в последний момент самолёт зацепился за электрические провода, ударился правым крылом о электрический столб и, развернувшись, врезался в кучу дровяных отходов. Чкалова выбросило из кабины на 10-15 метров вместе с хвостовой частью фюзеляжа, управлением и сиденьем. Пожара не было, но Чкалов ударился головой о металлическую арматуру, оказавшуюся в месте падения. По показаниям свидетелей катастрофы, рабочие автобазы сняли с лётчика парашют (ещё не знали, что это был Чкалов), положили его в кузов грузовой полуторатонной машины и тут же отправили в больницу. От полученной травмы Чкалов скончался в Боткинской больнице.

После гибели Чкалова был арестован ряд руководителей авиационного завода, причастных к организации этого полёта. Они были приговорены к длительным срокам лишения свободы за выпуск в полёт самолёта с многочисленными неисправностями, повлёкшими за собой гибель лётчика.

Поблизости от места катастрофы, на пересечении Хорошёвского шоссе с Хорошёвским тупиком, в 1998 году был установлен памятный камень.