На воинской службе
Великая Отечественная война
В августе 1941 года был призван Армавирским горвоенкоматом в ряды Красной Армии и направлен в эвакуированное в Свердловск Черкасское пехотное училище, с октября первый военный набор приступил к занятиям. После ускоренного окончания училища летом 1942 года лейтенант Варенников в числе немногих выпускников (остальные прямиком отправились на фронт) назначен командиром учебного взвода в запасную стрелковую бригаду, дислоцировавшуюся в Горьком, и только в октябре 1942 года оказывается на Сталинградском фронте в должности командира миномётного взвода батареи 120-мм полковых миномётов 138-й стрелковой дивизии. Сражался в Сталинграде 79 дней и ночей.
В ноябре 1942 года Варенников назначается командиром батареи, в декабре того же года участвует в составе дивизии в уничтожении окружённых частей 6 армии генерал-фельдмаршала Паулюса.
В январе 1943 года был ранен. После выздоровления вернулся в строй, зачислен в оперативный отдел 35-й гвардейской стрелковой дивизии 8-й гвардейской армии.
С марта 1943 года – командир минометной батареи 100-го гвардейского стрелкового полка, а весной 1944 года старший лейтенант Варенников был назначен заместителем командира 100-го гвардейского стрелкового полка 35-й гвардейской стрелковой дивизии по артиллерии.
Участвовал в форсировании Днепра, сражался за освобождение Белоруссии и Польши. Когда 8-я гвардейская армия была переброшена на 1-й Белорусский фронт, Варенников со своим полком участвовал в знаменитой Белорусской наступательной операции «Багратион». В конце июля и начале августа 1944 года вступил на польскую землю и вёл бои за овладение плацдармом на Висле южнее Варшавы в районе Магнушева. Там был тяжело ранен и лечился в госпитале четыре месяца. Затем вернулся в родной 100-й гвардейский стрелковый полк 35-й гвардейской стрелковой дивизии заместителем командира полка А. М. Воинкова по артиллерии и в середине января 1945 года участвовал в наступлении советских войск от Балтики до Карпат. Участвовал в боях за плацдарм в районе города Кюстрина на Одере. В марте 1945 года В. Варенников был ранен в третий раз в боях за Кюстрин.
С марта 1945 года — начальник артиллерии 101-го гвардейского стрелкового полка 35-й гвардейской стрелковой дивизии. В апреле —мае, в звании капитана, принимал непосредственное участие в Берлинской операции. Штурмовал Зееловские высоты, брал Берлин — утром 2 мая был в здании Рейхстага.
За время войны был трижды ранен, награждён четырьмя боевыми орденами. В июне 1945 года участвовал в Параде Победы, а непосредственно перед Парадом, являясь начальником почетного караула, принял Знамя Победы на центральном аэродроме. Великую Отечественную войну закончил в звании капитана.
На фронте познакомился с Еленой-Ольгой Тихоновной (1923—2005), которая стала женой Валентина Ивановича на всю жизнь.
Послевоенный период
После войны остался в армии, занимал ряд командных должностей, окончил Военную академию имени М. В. Фрунзе (1954), Военную академию Генерального штаба Вооружённых Сил СССР имени К. Е. Ворошилова с золотой медалью (1967), Высшие академические курсы Военной академии Генерального штаба Вооружённых Сил имени К. Е. Ворошилова (1977). В 1954 году назначен заместителем командира полка, затем последовательно командовал четырьмя полками в Северном военном округе. В 1960 году назначен заместителем командира 131-й мотострелковой дивизии. С марта 1963 по август 1965 года был командиром 54-й Мазурской мотострелковой дивизии (Кандалакша, ЛенВО); генерал-майор (16.06.1965). С 1967 по 1969 — командиром 26-го армейского корпуса (ЛенВО).
На старших должностях
1969—1971 гг. — командующий 3-й общевойсковой армией Группы Советских войск в Германии. Генерал-лейтенант (29.04.1970).
11 июня 1971 — 30 июля 1973 гг. — первый заместитель Главнокомандующего Группой Советских войск в Германии. Генерал-полковник (2.11.1972).
На высших должностях
1973—1979 гг. — командующий войсками Краснознамённого Прикарпатского военного округа. 1979—1984 гг. — начальник Главного оперативного управления — первый заместитель начальника Генерального штаба Вооружённых Сил СССР. С сентября 1984 по январь 1987 года — первый заместитель начальника Генерального штаба Вооружённых Сил СССР. За годы службы многократно направлялся в зарубежные командировки в зоны военных конфликтов в различных странах мира в связи советским участием в них; в том числе находился в Анголе, Сирии, Эфиопии. Был главным организатором работ воинских частей по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
1984—1989 гг. — начальник Группы управления Министерства обороны СССР в Афганистане. Был удостоен звания Героя Советского Союза.
С 5 января 1989 года — Главнокомандующий Сухопутными войсками — заместитель Министра обороны СССР, член Совета обороны СССР.
1974—1984 гг. — депутат Верховного Совета СССР. 1985—1989 гг. — депутат Верховного Совета РСФСР, член комиссии по делам молодёжи. 1989—1992 г. — народный депутат СССР. Член КПСС с 1944 по 1991 год; 1986—1990 годы кандидат в члены ЦК КПСС.
В январе 1991 года принимал участие в событиях по захвату советскими войсками телецентра в Вильнюсе, в результате чего погибло 14 человек, более 700 были ранены. Помощник Михаила Горбачёва Анатолий Черняев утверждал, что решение о применении армии было принято лично Варенниковым без согласования с президентом СССР.
В июле 1991 года подписал обращение «Слово к народу». 18 августа 1991 года вместе с первым заместителем председателя Совета обороны СССР Олегом Баклановым, секретарём ЦК КПСС Олегом Шениным и начальником 9-го управления КГБ Юрием Плехановым летал к Горбачеву в Форос насчёт введения чрезвычайного положения в определённых районах страны. Затем поддержал Государственный комитет по чрезвычайному положению, но сам в него не входил: «20 августа министр обороны СССР вызвал меня из Киева в Москву, чтобы помочь навести порядок», — указывал он сам. 22 августа Президиум Верховного Совета СССР дал согласие на привлечение к уголовной ответственности и арест Варенникова. Утром 23 августа у себя на даче был арестован. 31 августа освобожден от должности заместителя министра обороны СССР — Главнокомандующего Сухопутными войсками. 2 января 1992 года депутатские полномочия Варенникова были прекращены в связи с распадом СССР. В отличие от некоторых других участников ГКЧП не выступал с покаянными письмами и заявлениями.
14 декабря 1992 Варенников был освобождён под подписку о невыезде.
В феврале 1994 года стал единственным из подсудимых по делу ГКЧП, который отказался принять амнистию и предстал перед судом. 11 августа 1994 Варенников был оправдан за отсутствием состава преступления, в связи с тем, что он выполнял приказ вышестоящего начальника. Также в приговоре было указано следующее:
Совершая инкриминированные ему действия, он не располагал достоверными данными, позволяющими считать, что происходящие события фактически противоречат воле Президента СССР — Главнокомандующего Вооружёнными Силами государства. Мотивами и целью содеянного им были не корыстные побуждения или иная личная заинтересованность, а сохранение и укрепление своего государства, что соответствовало воле народа, высказанной на референдуме 17 марта 1991 г.
Генпрокуратура опротестовала решение суда. 3 февраля 1995 Президиум Верховного суда РФ оставил в силе оправдательный приговор.
В отставке
7 февраля 1994 года указом Президента Российской Федерации Бориса Ельцина уволен с военной службы. Писал мемуары. Всего издано пять книг, охватывающих весь период жизни Валентина Ивановича.