Закінчив Казанське театральне училище і школу-студію МХАТ (1966). У 1961—1969 і в 1971—1987 рр. був актором Калінінського драматичного театру, де зіграв понад 30 ролей.
У 1971 році грав у ленінградському театрі ім. Ленінського Комсомолу. У 1987 році був запрошений в трупу Московського художнього академічного театру ім. М. Горького (художній керівник — Тетяга Дороніна), де працював до кінця життя.
У кіно Валерій Гатаєв почав зніматися з середини 1960-х років. Знаменитим актора зробила пам'ятна роль Фрола Курганова у фільмі « Тіні зникають опівдні» (1971).
У 1972 році Валерій Гатаєв знявся в ролі Григорія Котовського в історико-революційному фільмі «Останній гайдук». Згодом Гатаєва задіяли в кіно, головним чином, у ролях другого плану. У 1998 році він знявся разом з Аленом Делоном, Ванессою Параді, Жаном-Полем Бельмондо і Олександром Яковлєвим у французькому бойовику «Один шанс на двох».
Перша дружина — Людмила. У цьому шлюбі в 1966 році народився син Артем. Закінчив Вищу Школу міліції в Каунасі (Литва), командир СОБР.
Друга дружина — актриса МХАТ імені Горького Ольга Дубовицька (нар. 19 вересня1962). У цьому шлюбі в 1989 році народилися доньки-двійнята Марія і Тетяна.
