С начала 1970-х гг профессиональная жизнь Валерия Владимировича связана с Институтом медико-биологических проблем (ГНЦ РФ — ИМБП РАН). В нём он работал научным сотрудником лабораторий, а после зачисления в отряд космонавтов прошёл путь от космонавта-исследователя до командира отряда врачей-космонавтов-исследователей (до 1988 года). Во время космической подготовки в 1976 году защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата медицинских наук[1].
С 1999 года — доктор медицинских наук и профессор[2].
С конца 1980-х гг он работал заместителем директора ИМБП по научной работе.
С 8 января 1994 по 22 марта 1995 совершил второй космический полёт в качестве врача-космонавта-исследователя на космическом корабле «Союз ТМ-18» и орбитальном комплексе «Мир» продолжительностью 437 суток 17 часов 58 минут[4][5]. Это является абсолютным рекордом продолжительности работы в космосе за один полёт. За успешное осуществление полёта 10 апреля 1995 года ему присвоено звание Героя Российской Федерации.
В течение двух орбитальных полётов провёл в космосе 678 суток 16 часов и 34 минуты. По этому показателю Поляков уступает лишь шести космонавтам в истории — Олегу Кононенко, Геннадию Падалке (878 дней за 5 полётов), Юрию Маленченко (827 дней за 6 полётов), Сергею Крикалёву (803 дня за 6 полётов), Александру Калери (769 дней за 5 полётов) и Сергею Авдееву (747 дней за 3 полёта), но все эти рекорды были установлены позже, и в течение 4,5 лет (до рекорда Сергея Авдеева) Поляков был первым по суммарному налёту. Рекорд по продолжительности одного полёта держится уже более четверти века (по состоянию на 2023 год), и в ближайшие годы, судя по планам пилотируемых полётов, никто не сможет его побить.
В 1990-е гг — заместитель руководителя полетов в Центре управления по медицинскому обеспечению полетов на станции «Мир». Деятельность в отряде космонавтов Валерия Владимировича, космонавта первого класса и инструктора-космонавта-исследователя первой категории, завершилась в 1995 году. Его полетный опыт внес неоценимый вклад в развитие космической медицины[1].
Валерий Поляков вспоминал, что в редкие свободные минуты в космосе предпочитал читать книги, среди особо понравившихся отмечал романы «Мужики и бабы» Бориса Можаева и «Белые одежды» Владимира Дудинцева[7].
Принимал участие в эксперименте SFINCSS в 2000 году, в ходе которого осуществлялась имитация полёта международного экипажа на космической станции для изучения взаимодействия групп людей разных национальностей[2].
Профессор А. А. Благинин свидетельствовал, что Валерий Поляков говорил ему, что готов совершить безвозвратный полёт на Марс[8].
Является автором более 50 научных работ по проблемам космической медицины, опубликованных в отечественных и зарубежных издательствах.
Медаль «За заслуги в освоении космоса» (12 апреля 2011 года) — за большие заслуги в области исследования, освоения и использования космического пространства, многолетнюю добросовестную работу, активную общественную деятельность[10]
Поляков Валерий Владимирович // Авиационная энциклопедия в лицах / Отв. А. Н. Ефимов. — Москва: Барс, 2007. — С. 481. — 712 с. — ISBN 978-5-85914-075-6.
И. А. Маринин, С. Х. Шамсутдинов, А. В. Глушко (составители). Советские и российские космонавты. 1960—2000 / Под редакцией Ю. М. Батурина. — М.: ООО Информационно-издательский дом «Новости космонавтики», 2001. — ISBN 5-93345-003-0.