Валентин Иванович Варенников родился 15 декабря 1923 года в городе Краснодаре. Отец — Варенников Иван Евменович (1895—1974), участник Гражданской войны. Окончил Промакадемию в Москве, занимал различные руководящие посты на хозяйственной работе. Мать — Варенникова Мария Алексеевна (1901—1930).
Супруга — Варенникова Елена Тихоновна (1923—2005), старший лейтенант в отставке, ветеран войны. Сыновья: Варенников Валерий Валентинович (1951 г. рожд.), полковник запаса; Варенников Владимир Валентинович (1955 г. рожд.), генерал-лейтенант, два года воевал в Афганистане.
К началу Великой Отечественной войны Валентин Иванович окончил среднюю школу в г. Армавире.