Настоящее имя - Валериан. Родился в селе Василёво, ныне город Чкаловск Нижегородской области. 

1916-1918 - учёба в Череповецком ремесленном училище (ныне Вологодской области). 

1918-1919 - молотобоец в Василёвском затоне, кочегар на землечерпалке «Волжская № 21» и на пароходе «Баян».

В Красной Армии с сентября 1919 года. До 1921 года служил слесарем по ремонту и сборке самолётов в 4-м авиационном парке в Канавино (ныне район Нижнего Новгорода). 

В апреле 1923 года окончил Егорьевскую военно-теоретическую школу ВВС, в октябре 1923 года - Борисоглебскую военную авиационную школу лётчиков, в мае 1924 года - 1-ю Высшую авиационную школу лётчиков (г. Москва), в июле 1924 года - Высшую военную авиационную школу воздушной стрельбы и бомбометания (г. Серпухов Московской области). 

Служил в ВВС лётчиком истребительных авиаэскадрилий (в Ленинграде и Брянске). 

В октябре 1928 года был уволен из армии за аварию самолёта и осуждён на 1 год лишения свободы. Отбывал срок в Брянской тюрьме, но менее чем через месяц наказание было заменено на условное.

1929-1930 - лётчик-инструктор в Ленинградском аэроклубе (ныне Санкт-Петербург).

1930-1933 - лётчик-испытатель Научно-испытательного института ВВС. 

1933-1938 - лётчик-испытатель авиазавода № 39 им. В.Р. Менжинского (г. Москва) и ОКБ Н.Н. Поликарпова.

20-22 июля 1936 года на самолёте АНТ-25 в качестве командира экипажа (второй пилот – Г.Ф. Байдуков, штурман – А.В. Беляков) совершил беспосадочный перелёт из Москвы через Северный Ледовитый океан, Петропавловск-Камчатский на остров Удд (ныне остров Чкалова в устье Амура) протяжённостью 9374 километра (полётное время 56 часа 20 минут).

Звание Героя Советского Союза присвоено 24 июля 1936 года - за мужество и героизм, проявленные при выполнении перелёта.

18-20 июня 1937 года на самолёте АНТ-25 в составе того же экипажа совершил беспосадочный перелёт Москва -Северный полюс -Ванкувер (США) протяжённостью 8504 километра по прямой (полётное время - 63 часа 16 минут). 

Депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва (с 1937 года) от Горьковской области.

Комбриг (1938).

Отец Чкалова Игорь Валерьевича и Чкаловой Валерии Валерьевны.

Погиб во время проведения испытательного полёта на опытном истребителе И-180. Урна с прахом установлена в Кремлёвской стене на Красной площади.

Награды: ордена Ленина (05.05.1935, 24.07.1936); Красного Знамени (09.08.1937).

Память: в августе 1937 года посёлок Василёво был переименован в Чкаловск (ныне город), там открыт мемориальный музей В.П. Чкалова. Его именем названы станция метро и улица в Нижнем Новгороде, а также улицы  во многих городах области.

В Нижнем Новгороде, Кстове, Чкаловске ему установлены памятники.

Горьковский инженерно-строительный институт (ныне Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет) с 1938 по 1991 годы носил имя прославленного лётчика.