Валерий Закирович Гатаев родился 16 сентября 1938 года в городе Казань. Будущий артист окончил Казанское театральное училище и школу-студию МХАТ в 1966 году. В период учебы начал участвовать в постановках в Калининском драматическом театре, сыграв там в общей сложности более 30 ролей. В 1971 году Гатаев стал артистом ленинградского театра им. Ленинского Комсомола, после чего перешел в труппу Московского художественного академического театра им. М. Горького, художественным руководителем которого была Татьяна Доронина.
В кино Валерий Гатаев начал сниматься с середины 1960-х годов. Первой его киноработой стал фильм «Дочь Стратиона», где он сразу исполнил главную роль Штюрмера-капитана Ворона. В 1967 году Гатаев снялся во втором своем фильме «Туманность Андромеды», сыграв оператора станции распределения работ. Позже актер исполнил роль чиновника в киноленте «Экзамен на чин». В 1971 году Гатаев исполнил роль Фрола Курганова в фильме «Тени исчезают в полдень», которая сделала актера по-настоящему знаменитым. В следующем году Валерий Гатаев снялся в роли Григория Котовского в историко-революционном фильме «Последний гайдук».
В 1986 году Гатаев был удостоен звания «Народный артист РСФСР». В 1998 году он исполнил роль вместе со французскими кинозвездами Аленом Делоном, Ванессой Паради, Жан-Полем Бельмондо, а также актером Александром Яковлевым во французском боевике «Один шанс на двоих». В 2001 году Гатаев снялся в главной роли Оруджева в ретро-мелодраме Александра Баранова «Под полярной звездой», а также исполнил патологоанатома в сериале «Сыщики-1». В последующие годы актер участвовал в съемках сериала «Сыщики-4», а также в лентах «Тайский вояж Степаныча» и «Испанский вояж Степаныча» режиссера Максима Воронкова.
У актера было две жены. От первого брака в 1966 году у Гатаева есть сын Артем, который окончил Высшую Школу милиции в Каунасе и сейчас работает в качестве командира отряда СОБР. Второй женой актера стала актриса МХАТ им. Горькогo Ольга Дубовицкая. От Дубовицкой у Гатаева в 1989 году родились две дочери-двойняшки Мария и Татьяна.
Последней работой актера стала роль партийного деятеля в сериале «Громовы. Дом надежды» режиссера Александра Баранова, который вышел в 2007 году.
В июне 2011 года Валерий Гатаев умер в Москве по причине сердечной недостаточности. Актера похоронили на московском Троекуровском кладбище. Ему было 72 года.
