Валентин Петрович Катаев родился (16) 28 января 1897 года в Одессе в семье учителя. Ещё гимназистом он начал писать; в печати дебютировал в 1910 году.
Во время первой мировой войны, не окончив гимназию, в 1915 году добровольцем вступил в действующую армию и до 1917 года был на фронте. Служил в артиллерии. Во время Гражданской войны был мобилизован в Красную армию и участвовал в боях против войск Деникина, работал в ЮгРОСТА (Российское телеграфное агентство).
В 1922 году переехал в Москву, где с 1923 года работал в газете «Гудок» и в качестве «злободневного» юмориста сотрудничал со многими изданиями. Свои газетные и журнальные юморески подписывал псевдонимами Старик Саббакин, Ол. Твист, Митрофан Горчица. В этот период он писал рассказы о гражданской войне и сатирические рассказы.
Катаев — автор романа «Время, вперёд!» (1932; экранизован 1965), повести «Я сын трудового народа» (1937). Широкую известность принесла повесть «Белеет парус одинокий» (1936); по ней поставлен одноимённый фильм (1937). За повесть «Сын полка» (1945) получил Сталинскую премию (1946; одноимённый фильм 1946).
После войны продолжил «Белеет парус одинокий» повестями «Хуторок в степи» (1956), «Зимний ветер» (1960–1961), «За власть Советов» (1948; другое название «Катакомбы», 1951; одноимённый фильм 1956), образующих тетралогию с идеей преемственности революционных традиций.
Автор публицистической повести «Маленькая железная дверь в стене» (1964). Начиная с этого произведения, сменил писательскую манеру и тематику. Свой новый стиль назвал «мовизмом» (от фр. mauvais «плохой, дурной»), неявно противопоставляя его гладкописи официальной советской литературы. В этой манере написаны лирико-философские мемуарные повести «Святой колодец» (1967), «Трава забвенья» (1967), рассказ «Кубик» (1969). Широкий резонанс и обильные комментарии вызвал роман «Алмазный мой венец» (1978). Произведения Катаева неоднократно переводились на иностранные языки.
Существует мнение, что Катаев подсказал Ильфу и Петрову сюжет романа «Двенадцать стульев».
В 1974 году Валентин Катаев удостоен звания Героя Социалистического Труда.
Умер писатель 12 апреля 1986 года в Москве и похоронен на Новодевичьем кладбище.