Первой женой актера была его однокурсница актриса Нина Шацкая. В 1969 году у них родился сын Денис.

Второй женой Валерия была Тамара. У них в браке в 1979 году родился сын Сергей, который был барабанщиком группы «Мёртвые дельфины», покончил с собой в 2007 году.

Последней женой Золотухин была актриса Ирине Линдт. 18 ноября 2004 года у них родился сын Иван.