S-a născut la Galați, la 21 martie 1928 și a început studiul pianului la vârsta de cinci ani. La Academia de Muzică din București i-a avut ca profesori pe Constanța Erbiceanu - pian, Mihail Jora - compoziție și Mihail Andricu - muzică de cameră. La nouă ani primește o bursă de studii la Conservatorul Național Superior de Muzică din Paris, unde studiază pianul cu Lazare Lévy, Marcel Mayer - teorie și solfegiu și Noel Gallon - armonie. La 15 ani debutează ca solist la Filarmonica George Enescu, sub bagheta lui George Georgescu. Devine solist al acestei prestigioase instituții muzicale în 1950. A fost de asemenea, organist la Catedrala Catolică Sf. Iosif din București (1947-1956). La primul Festival și Concurs Internațional George Enescu din București, din 1958, Valentin Gheorghiu, împreună cu fratele său Ștefan Gheorghiu, au câștigat Premiul I pentru interpretarea Sonatei nr. 3-a pentru pian și vioară, "în caracter popular românesc", în la minor, op. 25 de George Enescu. A câștigat de asemenea: Premiul I la Concursul Internațional de la Budapesta (1949); Premiul de Stat cl. I (1949); Premiul I la Concursul Internațional de la Praga (1950, 1953). Valentin Gheorghiu a întreprins turnee în Ungaria, Germania, Austria, Franța, Italia, Polonia, Grecia, Turcia, Bulgaria, Elveția, Egipt, Iugoslavia, URSS, Canada, SUA, Islanda, Israel, și după 1970, în Suedia, Japonia, Finlanda, Spania, Belgia, Olanda, colaborând cu celebre ansambluri simfonice dintre care amintim: Société des Concerts du Conservatoire de Paris, Gewandhaus din Leipzig, Staatskapelle din Dresda, Orchestra Radioteleviziunii Franceze, Orchestra Regală din Madrid, precum și filarmonicile din Viena, Praga, Sofia, Budapesta, Atena, Ankara, Helsinki, Stokholm, Baltimore, Montreal, Tokio și Kioto. A concertat alături de dirijori de renume mondial, precum: Antal Dorati, Kurt Masur, Rafael Kubelik, Constantin Silvestri, Georges Prêtre și George Georgescu, Horia Andreescu, Roberto Benzi, Sergiu Comissiona, Anatol Fistoulari, Lawrence Foster, Ilarion Ionescu-Galați, Armin Jordan, Kiril Kondrashin, Eric Leinsdorf, Ferdinand Leitner, Cristian Mandeal, Seiji Ozawa, John Pritchard, Simon Rattle și Stanislas Skowachewsky, Valentin Gheorghiu a realizat înregistrări pentru casele de discuri; His Master's Voice, Pathé Marconi, Deutsche Gramophone, Electrecord și Editura Casa Radio. Concertele și recitalurile sale au fost transmise la emisiuni de radio și televiziune. În domeniul muzicii de cameră a susținut recitaluri cu Trioul său, alături de Ștefan Gheorghiu - vioară și Radu Aldulescu - violoncel, precum și duo-uri cu fratele său violonistul Ștefan Gheorghiu. Valentin Gheorghiu a fost invitat în jurii ale unor prestigioase concursuri internaționale precum cele din Viena, Varșovia, Bruxelles, Paris, Bolzano și Santander. Dintre compozițiile sale amintim: Sonată pentru pian (Mențiunea I la Concursul Internațional George Enescu - secțiunea de compoziție (1946); Concert pentru pian și orchestră (Premiul George Enescu al Academiei Române); Simfonia I, în re minor (1949), Simfonia a II-a, în re minor (1956), Burlescă pentru pian și vioară; Trio pentru pian, vioară și violoncel; Sonată pentru pian și violoncel; Burlescă pentru pian și orchestră; Quartet de coarde; Coral și fugă pentru orgă și orchestră, 12 Lieduri pe versuri de Tudor Arghezi,(1960); voce și pian (Vrei tu să fii, Vin cocori, În anii nouă sute șapte); muzică de film - Amintiri din copilărie (1964, regie și scenariu Elisabeta Bostan); muzică corală.
Valentin Gheorghiu a primit Premiul de excelență al Academiei Române pentru întreaga activitate (1995), Premiul de Excelență acordat de Fundația Culturală Română (1999), Doctor Honoris Causa al Universității Naționale de Muzică din București (1997), Doctor Honoris Causa al Universității de Artă George Enescu din Iași (2007), Premiul de Excelență acordat de Radio România Cultural (2010). În anul 2021, Valentin Gheorghiu a primit Marele Premiu al Uniunii Compozitorilor și Muzicologilor din România pe anul 2020, pentru întreaga activitate componistică și interpretativă.
Mai multe filarmonici din țară l-au aniversat anul acesta la împlinirea vârstei de 95 de ani pe acest muzician - reper al culturii noastre, Valentin Gheorghiu, un mare admirator al lui Dinu Lipatti.
Pentru realizări le sale artistice remarcabile și pentru promovarea culturii, de Ziua Națională a României - 1 decembrie 2000 - Valentin Gheorghiu a fost distins cu Ordinul național "Serviciul Credincios" în grad de Mare Cruce. Președintele României, Klaus Iohannis, l-a decorat, la 23 mai 2018, cu Ordinul Național Steaua României.