Валерий Пономарёв родился в Москве в 1943 году. Обучался в музыкальной школе и музыкальном училище. Дебютировал как джазовый трубач в середине 1960-х, выступая в джазовых клубах и на фестивалях (в основном с пианистом Вадимом Сакуном). Первая запись Пономарёва вышла на пластинке-сборнике «Джаз-67» («Мелодия»).
В 1973 музыкант эмигрировал в США. Уже через несколько месяцев он участвовал в джем-сешне со своим кумиром Артом Блэйки, а в 1977 году присоединился к его коллективу Jazz Messengers, в составе которого объехал весь мир и записал 11 альбомов на лейблах Roulette, Timeless и Concord. В 1980 году музыкант начал сольную карьеру.
В США Пономарёв получил высшее образование, окончив Эмпайр-Стейт-Колледж Университета штата Нью-Йорк со степенью бакалавра. Занимался композицией и аранжировкой с Доном Себески.
В 1981 году организовал ансамбль Universal Language. Коллектив выступал в известных нью-йоркских клубах, гастролировал по всему миру, в разное время в нем играли Сид Симмонс, Джимми Кобб, Джуниор Кук, Роджер Келлауэй, Кенни Баррон, Ральф Мур, Джон Хикс. Авторству музыканта принадлежит более 40 композиций. В 1987 году под лейблом Reservoir Music вышел первый сольный альбом артиста Means of Identification. В дальнейшем он выпустил на этой фирме еще несколько пластинок, в записи которых принимали участие Джо Хендерсон, Боб Берг, Виктор Джонс, Бен Райли, Билли Харт и др.
Как сайдмен Пономарёв работал с коллективами Уолтера Бишопа, Джимми Хита, Чарлза Мингуса, Лайонела Хэмптона, Мерсера Эллингтона, Ли Коница, Джо Морелло, Фрэнка Фостера, Пеппера Адамса и др.
В 1990 году впервые после 17-летнего перерыва вернулся в Москву для участия в I Московском международном джазовом фестивале и с тех пор неоднократно гастролировал в России, в том числе с известными американскими джазменами (в их числе Кёртис Фуллер, Бобби Уотсон, Бенни Голсон, Джимми Кобб, Сид Симмонс).
Музыкант преподает в России и США частным образом и в программах мастер-классов различных учебных заведений и образовательных фестивалей.
Валерий Пономарёв опубликовал автобиографию «На обратной стороне звука» (On the Flip Side of Sound). О музыканте снят документальный фильм Эдуарда Тополя «Трубач из России».
