Валентин Близнюк родился в селе Малороссийское в Восточном Казахстане.
В 1953 году окончил Московский авиационный институт им. С.Орджоникидзе.
С 1952 года работал в конструкторском бюро А. Н. Туполева, где в первые годы работы принимал участие в разработке тактического ударного самолета Ту-91 и серийного стратегического бомбардировщика Ту-95.
В 1957 году в ОКБ Туполева было создано подразделение беспилотной авиационной техники под руководством А. А. Туполева. В нем В. И. Близнюк руководил разработкой технических проектов беспилотных комплексов, в том числе Ту-121 «C», Ту-123, Ту-143, Ту-141, а также, с начала 1970-х годов — разработкой воздушно-космических систем — ударной беспилотной Ту-130 «ДП» и орбитального пилотируемого летательного аппарата Ту-136 «Звезда».
Валентин Близнюк внес значительный вклад в разработку первого в мире сверхзвукого пассажирского самолета Ту-144 — был начальником отдела «Общих видов» этого проекта, затем заместителем главного конструктора.
Работа над стратегическим авиационным комплексом Ту-160 началась в конце 1960-х годов с активным участием В. И. Близнюка. В 1975 году он становится главным конструктором проекта и заместителем Генерального конструктора ММЗ «Опыт» А. А. Туполева. Валентин Близнюк не только осуществлял общее руководство проекта, но и непосредственно руководил разработкой аэродинамической схемы самолета, его силовой установки, включая многие инновационные разработки. В 1981 году разработанный Близнюком Ту-160 впервые поднялся в воздух, а в 1987 году поступил на вооружение ВВС СССР.
В последние годы Валентин Близнюк в качестве главного конструктора руководит работами по модификации, модернизации и дооснащению комплекса Ту-160, благодаря которым он до сих пор считается самым мощным в мире. Кроме того, под его руководством разрабатывается проект грузового самолета Ту-330.