В 1965 году получил диплом врача в Первом Московском медицинском институте. 

В следующем году проходил обучение в клинической ординатуре Института медицинской паразитологии и тропической медицины.

Первый космический полёт совершил с 29 августа 1988 по 27 апреля 1989 г. в качестве первого космонавта-исследователя ТПК «Союз ТМ-6» вместе с Ляховым и Ахадом Момандом по программе ЭП-З, а также в составе ЭО-З вместе с Титовым и Манаровым 

и ЭО-4 вместе с Волковым,  Крикалевым и Кретьеном (Франция). Позывной: «Протон-2», «Донбасс-3». Длительность полета 240 суток 23 часа 35 минут 49 секунд.

За успешное осуществление длительного космического полета Валерию Владимировичу Полякову присвоено звание Героя Советского Союза (1989 год), 

с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда». Он также удостоен звания Героя Республики Афганистан с вручением ордена «Солнце Свободы» (1988 год, ДРА), 

и награждён орденом Почётного легиона (1989 год, Франция).

С 8 января 1994 по 22 марта 1995 совершил второй космический полёт в качестве врача-космонавта-исследователя на космическом корабле «Союз ТМ-18» 

и орбитальном комплексе «Мир» продолжительностью 437 суток 18 часов. 

Это является абсолютным рекордом продолжительности работы в космосе за один полёт. За успешное осуществление полёта 10 апреля 1995 года ему присвоено звание Героя России.