Отец Валентина Катаева — учитель, преподаватель епархиального училища в Одессе Пётр Васильевич Катаев — происходил из духовенства. Дед, Василий Алексеевич Катаев (1819 г.р.)- сын священника. Обучался в Вятской духовной семинарии, затем окончил Московскую духовную Академию. С 1846 г. работал инспектором в Глазовском духовном училище, был протоиереем Ижевского оружейного завода. В июне 1861 г. переведён в Вятский Кафедральный Собор в возрасте 42 лет.. Мать Евгения Ивановна Бачей — дочь генерала Ивана Елисеевича Бачея, из полтавской мелкопоместной дворянской семьи. Впоследствии Катаев дал имя своего отца и фамилию своей матери главному, во многом автобиографическому герою повести «Белеет парус одинокий» Пете Бачею.
Мать, отец, бабушка и дядя Валентина Катаева похоронены на 2-м Христианском кладбище Одессы.
Младший брат Валентина Катаева — писатель Евгений Петров (1903—1942; назван в честь матери; фамилию-псевдоним взял по имени отца).
Дочь Катаева вспоминала:
Вторым браком Катаев был женат на Эстер Давыдовне Катаевой (1913—2009). «Это был изумительный брак», — сказала о нём близкая знакомая семьи Катаевых Дарья Донцова. В этом браке было двое детей — Евгения Валентиновна Катаева (названа в честь бабушки, матери Валентина Катаева, род. 1936) и детский писатель и мемуарист Павел Валентинович Катаев (род. 1938).
Зять Катаева (второй муж Евгении Катаевой) — еврейский советский поэт, редактор и общественный деятель Арон Вергелис (1918—1999).
Племянники Катаева (сыновья Евгения Петрова) — кинооператор Пётр Катаев (1930—1986) и композитор Илья Катаев (1939—2009).
Внучка Катаева (дочь Евгении Катаевой от первого брака) — Валентина Эдуардовна Рой, журналистка (псевдоним — Тина Катаева).
Прожив 64 года своей жизни в Москве и Переделкине, по манерам и речи Катаев до конца жизни оставался одесситом. Русскую и украинскую литературу он узнавал с голоса родителей во время домашних чтений; на улице слышал идиш и городской мещанский жаргон, в котором были замешаны греческие, румынские и цыганские слова.
«Отрывистую речь с небольшим южным акцентом» в нём ещё в 1918 году замечала Вера Бунина. Бравший у него интервью в 1982 году (в конце жизни) одесский журналист высказался ещё определённее: «…У него был неистребимый одесский акцент».
Язык Одессы в значительной степени стал литературным языком Катаева, а сама Одесса стала не просто фоном для многих произведений Валентина Катаева, но их полноправным героем.
Не окончив гимназию, в 1915 году Катаев вступил добровольцем-вольноопределяющимся в действующую армию. Начал службу под Сморгонью рядовым на артиллерийской батарее, затем произведён в прапорщики. Дважды был ранен и отравлен газами. Летом 1917 года, после ранения в «керенском» наступлении на румынском фронте, был помещён в госпиталь в Одессе.
Павел Катаев так описывал рану отца:
Катаеву был присвоен чин подпоручика, но получить погоны он не успел и был демобилизован прапорщиком. Награждён двумя Георгиевскими крестами и орденом Святой Анны IV степени с надписью «За храбрость». С первым офицерским чином получил не передающееся по наследству личное дворянство.
Единственным и главным своим учителем среди писателей-современников Катаев считал Ивана Бунина. «Дорогой учитель Иван Алексеевич» — обычное обращение Катаева к Бунину в письмах.
С Буниным Катаева познакомил живший в то время в Одессе писатель-самоучка Александр Митрофанович Фёдоров.
В эмиграции Бунин никак публично своё учительство по отношению к советскому писателю не подтверждал, но в 2000-е годы вдова Катаева Эстер рассказала об их с мужем встрече в конце 1950-х годов с вдовой Бунина:
Точно об участии Валентина Катаева в Гражданской войне известно мало. По официальной советской версии и собственным воспоминаниям («Почти дневник») Катаев с весны 1919 года воевал в Красной армии. Однако существует и другой взгляд на этот период жизни писателя, заключающийся в том, что он на добровольной основе служил в Белой армии генерала А. И. Деникина. Об этом свидетельствуют некоторые намёки в произведениях самого автора, представляющиеся многим исследователям автобиографическими, а также сохранившиеся воспоминания семейства Буниных, активно общавшегося с Катаевым в одесский период его жизни. Согласно альтернативной версии, в 1918 году, после излечения в госпитале в Одессе, Катаев вступил в вооружённые силы гетмана П. П. Скоропадского. После падения гетмана в декабре 1918 года, при появлении к северу от Одессы большевиков, Катаев в марте 1919 года вступил добровольцем в Добровольческую армию с чином подпоручика.
Артиллеристом служил на лёгком бронепоезде «Новороссия» Вооружённых сил Юга России (ВСЮР) командиром первой башни (самое опасное место на бронепоезде). Бронепоезд был придан отряду добровольцев А. Н. Розеншильда фон Паулина и выступил против петлюровцев, объявивших 24 сентября 1919 года войну ВСЮР. Бои длились весь октябрь и закончились занятием белыми Вапнярки. Отряд наступал на Киевском направлении в составе войск Новороссийской области ВСЮР генерала Н. Н. Шиллинга (действия войск Новороссийской области ВСЮР были частью деникинского похода на Москву).
До начала отступления войск ВСЮР в январе 1920 года бронепоезд «Новороссия» в составе отряда Розеншильда фон Паулина воевал на два фронта — против петлюровцев, закрепившихся в Виннице, и против красных, стоявших в Бердичеве.
Из-за быстрого роста в чинах во ВСЮР (ордена за братоубийственную войну Деникиным принципиально не давались), эту кампанию Катаев окончил, вероятнее всего, в чине поручика или штабс-капитана. Но в самом начале 1920 года, ещё до начала отступления Катаев заболел сыпным тифом в Жмеринке и был эвакуирован в одесский госпиталь. Позже родные забрали его, всё ещё больного тифом, домой.
К середине февраля 1920 года Катаев излечился от тифа. Красные к тому времени заняли Одессу и выздоровевший Катаев подключился к подпольному офицерскому заговору, целью которого была подготовка встречи вероятного десанта из Крыма Русской армии Врангеля. Это представлялось тем более вероятным поскольку в августе 1919 года Одесса уже была один раз освобождена от красных одновременным ударом десантного отряда и восстанием офицерских подпольных организаций. Захват маяка для поддержки десанта был главной задачей подпольной группы, поэтому в одесской ЧК заговор получил название «врангелевский заговор на маяке». Сама идея заговора могла быть подброшена заговорщикам провокатором ЧК, поскольку ЧК знала о заговоре с самого начала.
С маяком был связан один из заговорщиков Виктор Фёдоров — бывший офицер ВСЮР, избежавший преследований со стороны красных и устроившийся работать младшим офицером в прожекторную команду на маяке. Виктор Фёдоров был сыном писателя А. М. Фёдорова из дружественного Катаевым и Буниным семейства. Провокатор ЧК предложил Виктору Фёдорову большую денежную сумму за выведение из строя прожектора во время высадки десанта. Фёдоров согласился сделать это бесплатно. ЧК вела группу несколько недель и затем арестовала её участников: Виктора Фёдорова, его жену, его деверя, прожектористов, Валентина Катаева и других. Заодно с Валентином Катаевым был арестован его младший брат Евгений, скорее всего, не имевший к заговору никакого отношения.
За Виктора Фёдорова перед председателем одесской ЧК Максом Дейчем заступился Григорий Котовский. Отец Виктора А. М. Фёдоров в 1916 году повлиял на отмену смертной казни через повешение в отношении Котовского. Именно Котовский в феврале 1920 года взял Одессу и благодаря этому имел большое влияние на происходившее в то время в городе. Виктор Фёдоров с женой Надеждой по настоянию Котовского были Дейчем отпущены.
Валентина Катаева спасла ещё более фантастическая случайность. Из вышестоящей ЧК (из Харькова или Москвы) в одесскую ЧК приехал с инспекцией чекист, которого Катаев в разговорах с сыном называл Яков Бельский. Бельский хорошо запомнил Катаева в прошлом, 1919 году, на большевистских выступлениях в Одессе — тех, на которые пенял Катаеву Бунин, не зная, что и в то время Катаев находился в белогвардейском подполье:
Для Бельского, так же, как и одесские чекисты, не знавшего о добровольной службе Катаева во ВСЮР, это был достаточный повод отпустить Катаева. В сентябре 1920 года после полугода заключения в тюрьме Валентин Катаев и его брат из неё вышли. Остальные заговорщики были расстреляны осенью 1920 года.
В 1921 году работал в харьковской прессе вместе с Юрием Олешей. Снимал квартиру с ним в доме номер 16 на пересечении улиц Девичья и Черноглазовская («Живу в Харькове на углу Девичьей и Черноглазовской — такое невозможно ни в одном другом городе мира». («Алмазный мой венец». В. Катаев))ныне ул. Демченко и ул. Бажанова. По свидетельству очевидцев (на втором этаже жила баба Мотя) которая и рассказала мой маме эту историю про двух живших здесь студентов. А дом принадлежал тогдашнему директору ныне бывшей книгопечатной фабрики им Фрунзе.
В 1922 году переехал в Москву, где с 1923 году работал в газете «Гудок» и в качестве «злободневного» юмориста сотрудничал со многими изданиями. Свои газетные и журнальные юморески подписывал псевдонимами Старик Саббакин, Ол. Твист, Митрофан Горчица.
В заявлении секретаря Союза писателей СССР В.Ставского 1938 года на имя наркома НКВД Н. И. Ежова предлагалось «решить вопрос о Мандельштаме», его стихи названы «похабными и клеветническими», вскоре поэт был арестован. Иосиф Прут и Валентин Катаев названы в письме как «выступавшие остро» в защиту Осипа Мандельштама.
Член КПСС с 1958 года.
После войны Катаев был склонен к многодневным запоям. В 1946 году Валентина Серова рассказывала Буниным, что Катаев «иногда запивает на 3 дня. То не пьёт, не пьёт, а затем, кончив повесть, статью, иногда главу, загуливает». В 1948 году это едва не привело Катаева к разводу с женой. Павел Катаев так описывает эту ситуацию:
Основатель и в 1955—1961 гг. главный редактор журнала «Юность».
Катаев умер 12 апреля 1986 года. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 10).
Образование Катаева из-за участия в Первой мировой войне, Гражданской войне, необходимости скрывать своё участие в