Родился 28 июня 1940 года в городе Мытищи Московской области в семье служащих.
Школьником дебютировал в кино. В 1953 году на экраны вышел фильм «Таинственная находка», в котором Валентин исполнил одну из главных ролей. После этого снялся ещё в нескольких фильмах — «Море студёное» (1954), «Солдат Иван Бровкин» (1955) и «Серый разбойник» (1956).
В 1957 году окончил среднюю школу с серебряной медалью и поступил на актёрское отделение Всесоюзного государственного института кинематографии (мастерская Григория Козинцева и Сергея Скворцова), который окончил в 1962 году. Параллельно с учебой продолжал сниматься в небольших ролях.
В 1962—1964 годах – артист Экспериментального театра пантомимы ЭКТЕМИМ под руководством Александра Румнева.
В этом театре познакомился со своей будущей женой — актрисой Викторией Радунской. В 1963 году молодые люди поженились, а через пять лет у них родилась дочь Юлия.
В 1964 году театр ЭКТЕМИМ был закрыт, и Валентина Грачёва пригласили в труппу Театра-студии киноактёра, где он играл в ряде спектаклей, активно снимаясь в кино. В 1965 году в фильме «Человек без паспорта» исполнил роль лесоруба Коршунова. Снимался также в фильмах «Заблудший», «Айболит-66», «Опекун», «Адъютант его превосходительства», «От зари до зари», «Обелиск», «Горячий снег», «Фронт в тылу врага» и многих других.
Со временем популярность актёра пошла на спад, режиссёры предлагали ему небольшие проходные роли. Выразить свой талант Валентин Грачёв мог только в дубляже и озвучивании фильмов.
В жизни Валентин Грачёв был весёлым и улыбчивым человеком, у него было очень много друзей. Главным смыслом его жизни всегда была работа. Когда её становилось всё меньше, он стал употреблять спиртное, чтобы хоть как-то забыть свою невостребованность.
Брак с Викторией Радунской распался. В 1982 году Валентина Грачёва из-за проблем с алкоголем и дисциплиной уволили из Театра-студии киноактёра. Некоторое время он ещё работал на дубляже, но вредная привычка взяла верх и подкосила его здоровье.
Умер 28 декабря 1995 года в Москве. Похоронен на Образцовском кладбище (Щёлковский район, Московская область).
