Родился в Одессе в семье преподавателя духовного училища.
Отец его происходил из священнического рода, мать — дочь генерала из мелкопоместных дворян. Младший брат Катаева, писавший под псевдонимом Евгений Петров, — автор романов «Двенадцать стульев» и «Золотой теленок», созданных совместно с Ильей Ильфом. Идею первого романа дилогии подарил им Валентин Катаев.

С детства мечтал стать писателем.
Первая публикация состоялась в 1910 году в газете «Одесский вестник». В 1912 году отдельными изданиями вышли рассказы «Пробуждение» и «Темная личность».

В 1915 году ушел добровольцем на фронт Первой мировой войны. Дважды был ранен, дослужился до чина подпоручика. Награжден двумя Георгиевскими крестами и орденом Святой Анны с надписью «За храбрость». Участвовал в Гражданской войне, но эта страница биографии Катаева остается загадкой: по его словам, он воевал на стороне «красных», но есть косвенные данные, что участвовал в «белом» движении.

С начала 1920-х жил в Москве, полностью посвятив себя литературе. Известность ему принесла написанная в 1926 году повесть «Растратчики».
Во время Великой Отечественной войны был военным корреспондентом.
Автор множества рассказов, пьес, сказок, фельетонов, романов, повестей, среди которых «Белеет парус одинокий», «Сын полка», «Цветик-семицветик», «Алмазный мой венец» и ряд других известных и любимых многими поколениями книг.

В 1955-1961 годах был главным редактором созданного им литературного журнала «Юность», открывавшего читающей публике ярких молодых авторов.
Был удостоен звания Героя Социалистического Труда, награжден тремя Орденами Ленина и еще многими высшиминаградами СССР.