Валерий Сергеевич Золотухин родился 21 июня 1941 года в селе Быстрый Исток (Алтайский край).
В 1963 году закончил ГИТИС.
С 1964 года и по сей день Золотухин является актёром Театра на Таганке (роли в спектаклях «Добрый человек из Сезуана», «Герой нашего времени», «Борис Годунов», «Владимир Высоцкий» и др.)
С конца 60-х актёр активно снимается в кино, наибольшую известность получило исполнение роли участкового Серёжкина в трилогии «Хозяин тайги» (1969), «Пропажа свидетеля» (1971) и «Предварительное расследование» (1973); а также в фильмах «Бумбараш» (1972), «Сказ про то, как царь Пётр арапа женил» (1976), «Ночной дозор» (2004).
С 2003 года является художественным руководителем Государственного молодёжного театра Алтая.
Автор нескольких книг воспоминаний, в том числе о своём друге Владимире Высоцком.