Отец Пётр Васильевич Катаев (1856—1921) — преподаватель епархиального училища в Одессе. Мать Евгения Ивановна Бачей (1867—1903) — 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.
Всю свою жизнь Петр Катаев преподавал в средних учебных заведениях — епархиальном женском училище, пехотном юнкерском и коммерческом училище Генриха Файга, преподавал географию и русский язык. В епархиальном женском училище ученицей Катаева была Евгения Ивановна Бачей, на которой Петр Васильевич в 1886 году женился.
Из воспоминаний внучки Евгения Петрова Екатерины Катаевой: «Она (мать В. Катаева) была очень музыкальна, и дар этот передался одному из ее сыновей, Евгению, а потом и внуку Илье, ставшему композитором. Евгения Ивановна писала для детей сказки. Они сохранились в семейном архиве».
Валентин Петрович вспоминал о «любимой мамочке-волшебнице» как о легкой, праздничной, юмористичной, смягчающей нрав отца, суховато-строгого, порой вспыльчивого. «Я постоянно жил в атмосфере искусства. Мама читала мне стихи, придумывала для меня сказки, рисовала в тетрадке разные предметы и зверей, сочиняла к ним веселые пояснения. Ей хотелось расширить мой детский кругозор. Папа хорошо знал и любил русскую классическую литературу». «… Из-под маминых бегущих по клавишам пальцев до полуночи лилась бурная, каменистая река музыки, и с восторгом произносились имена Глинки, Чайковского, Рубинштейна… »
Валентин Катаев всегда хотел быть писателем. Живя в Одессе, он посещал литературный кружок и творческие поэтические вечера. Приехав в Москву, стал сотрудничать с журналами, публиковал очерки о Гражданской войне и юмористические статьи.
Евгений тоже с детства сочинял рассказы, но о профессии писателя не думал. Он стал младшим следователем в уголовном розыске в Одессе, чем шокировал Валентина. «Я понимал, что в любую минуту он может погибнуть от пули из бандитского обреза» — вспоминал старший Катаев. Он уговорил Евгения переехать в Москву, но тот и в столице нашел не менее опасную работу, устроившись надзирателем в Бутырскую тюрьму. «Я ужаснулся… мой родной брат, мальчик из интеллигентной семьи, сын преподавателя… этот юноша, почти еще мальчик, должен будет за двадцать рублей в месяц служить в Бутырках!» — сокрушался Валентин. Он решил сделать из Евгения журналиста, пообещав приличный заработок, в разы превышавший жалованье надсмотрщика. Несмотря на отказы брата, который утверждал, что «не умеет писать», Катаев-старший все же убедил его сочинить первый рассказ. Из него получился «отличный очерк, полный юмора и наблюдательности». С этого момента началась карьера Евгения Петрова — журналиста и писателя.
Катаев следил за тем, чтобы младший брат не ленился и продолжал работу. Его жена вспоминала: «Каждое утро он начинал со звонка ему — Женя вставал поздно, принимался ругаться, что его разбудили… «Ладно, ругайся дальше», — говорил Валя и вешал трубку».
В журнале «Гудок», где работали братья, Петров познакомился с будущим соавтором — Ильей Ильфом. Именно Валентин Катаев предложил двум молодым журналистам работать вместе. «Я представил себе их обоих — таких разных и таких ярких — и понял, что они созданы для того, чтобы дополнять друг друга», — записал Катаев в своих мемуарах. Идея первой книги Ильфа и Петрова «12 стульев» тоже принадлежала Валентину Катаеву, который предложил им идею сатирического романа о сокровищах, спрятанных в стуле.
Валентин Катаев, рассказывая в книге «Разбитая жизнь, или Волшебный рог Оберона» о брате, который, как и Ильф, не дожил до сорокалетия, заметил, что «смерть ходила за ним по пятам». Об обречённости Евгения Петровича говорил и Илья Эренбуг: «Смерть долго гонялась за Петровым, наконец его настигла». Он погиб в авиакатастрофе 2 июля 1942 года.
Валентин Катаев прожил долгую жизнь. Он писал пьесы, сценарии и сказки. Во время Великой Отечественной войны он служил военным корреспондентом, писал для газет и журналов очерки, зарисовки, фельетоны и рассказы. В 1945 году вышла его повесть «Сын полка». У нее есть реальная предыстория: на войне Катаев не раз встречал осиротевших детей, которых солдаты находили в разрушенных селах и городах и оставляли в служебных частях. Героя повести, мальчика Ваню Солнцева, нашли в лесу разведчики. Отец ребенка погиб на войне, родные умерли от голода. Ваню решили отправить в тыл, но он твердо собирался остаться с полком, сбегал от сопровождающих и возвращался в часть. За повесть Катаев получил Сталинскую премию — высокую советскую награду, которую присуждали за достижения в искусстве, технике и науке. А его сказка «Цветик-семицветик» легла в основу одноименного советского мультфильма. Катаев стал первым главным редактором журнала «Юность», в котором публиковали произведения молодых советских поэтов и прозаиков.
В 1960–70-х вышли мемуарные повести и романы Валентина Катаева — «Святой колодец», «Трава забвенья», «Разбитая жизнь, или Волшебный рог Оберона». В них писатель рассказывал о своем одесском детстве, встрече с Буниным, а еще рассуждал о творчестве. Автобиографическую повесть «Алмазный мой венец» Катаев посвятил литературной жизни Одессы, Харькова и Москвы 1920-х годов.
В 1980 году вышла антисоветская повесть писателя «Уже написан Вертер». В ней он рассказал о зверствах чекистов: по сюжету главный герой попадает в расстрельный список ЧК. В СССР произведение рекомендовали не упоминать в печати.
В конце жизни Валентин Катаев болел. В 1986 году писателя не стало. Он похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.
