Будущий актёр родился 21 июня 1941 года в алтайском селе Быстрый Исток в семье председателя колхоза и работницы почты.
В шесть лет Валерий Золотухин выпал из окна детского сада и сломал ногу. Целый год лечения в местной больнице не принёс никаких результатов. Врачи ставили диагноз «костный туберкулёз». Следующие три года мальчику пришлось провести на больничной койке детского санатория. После выписки он ещё долгое время ходил на костылях.
В выпускном классе начал готовить себя к карьере артиста. В 1958 поступил на отделение музыкальной комедии ГИТИСа.
За свою карьеру Валерий Сергеевич сыграл во многих спектаклях и снялся во множестве фильмов. Одна из главных ролей в его карьере — Бумбараш в фильме Николая Рашеева и Абрама Народицкого. В фильме «Хозяин тайги» исполнил роль участкового Василия Серёжкина, в «Чародеях» — Ивана Кривина, в «Ночном дозоре» — вампира.
В 2003 году Валерий Золотухин стал художественным руководителем Молодёжного театра Алтая. Со временем он помог коллективу переехать из старого здания на Новом рынке в бывший ДК Меланжевого комбината на площади Октября.
Ещё один вклад Валерия Золотухина в культурную жизнь края — «золотухинский» курс, набранный им в институте культуры в 2006 году. Многие его выпускники сейчас ведущие актёры театров как в Алтайском крае, так и в других регионах России.
Валерий Золотухин скончался 30 марта 2013 года от осложнений, вызванных опухолью головного мозга.
Похоронили артиста на его родине — на территории храма Покрова Пресвятой Богородицы в селе Быстрый Исток. Храм был построен по инициативе Золотухина при его жизни.
