Будучи студентом Первого Московского медицинского института он занимался вопросами использования достижений медицины в экстремальных условиях и в дальнейшем хотел специализироваться по проблемам тропических болезней.
В 1964 году произошло событие, которое во многом определило его жизненные планы. 12 октября 1964 года Валерий узнал, что в составе экипажа многоместного корабля «Восход» находится первый в мире врач-космонавт Борис Егоров. «А почему бы мне не попробовать?!», — писал Поляков в одной из статей.
В 1972 году он был зачислен в только что созданный отряд космонавтов Института медико-биологических проблем. С 1976 года работал в лаборатории космической биотехнологии, руководимой Борисом Егоровым. Сочетание научной работы с практической подготовкой к полётам позволило ему 29 августа 1988 года отправится в 240-суточный полёт на орбитальную станцию «Мир». Во время длительного полёта ему довелось работать с несколькими сменяемыми экипажами, в том числе с В. Г. Титовым, С. К. Крикалёвым и французом Ж.-Л. Кретьеном. День возвращения на Землю — 27 апреля 1989 года — совпал с днём его рождения. Ему исполнилось 46 лет. За успешное осуществление полёта Валерию Владимировичу было присвоено звание Героя Советского Союза с вручением медали «Золотая звезда».