С августа 1999 года части армии под командованием Герасимова вели масштабные боевые действия в ходе Второй чеченской войны.
Служил начальником штаба Дальневосточного военного округа с марта 2003 года, с апреля 2005 года — начальник Главного управления боевой подготовки и службы войск Вооружённых сил Российской Федерации.
В декабре 2006 года вступил в должность начальника штаба Северо-Кавказского военного округа.
С 11 декабря 2007 года по 5 февраля 2009 года — командующий войсками Ленинградского военного округа, с 5 февраля 2009 года по 23 декабря 2010 года — командующий войсками Московского военного округа[5].
Сергей Шойгу, Владимир Путин и Валерий Герасимов 9 ноября 2012 года
После отставки Анатолия Сердюкова с должности министра обороны Российской Федерации 9 ноября 2012 года новый министр обороны Сергей Шойгу представил президенту России Владимиру Путину кандидатуру Валерия Герасимова на должность начальника Генерального штаба Вооружённых сил Российской Федерации — первого заместителя министра обороны Российской Федерации.
На встрече с президентом Валерий Герасимов заявил:
Считаю, что вся деятельность Генерального штаба должна быть направлена на достижение одной главной цели — это поддержание боеспособности Вооружённых сил в таком состоянии, которое гарантирует выполнение всех возложенных на Вооружённые силы задач. И буду делать всё от меня зависящее для достижения этой цели[8].
9 ноября 2012 года назначен президентом России Владимиром Путиным на должность начальника Генерального штаба Вооружённых сил Российской Федерации — первого заместителя министра обороны Российской Федерации[9][10].
С 13 ноября 2012 года является членом Совета Безопасности Российской Федерации. Во время отсутствия министра обороны генерала армии Сергея Шойгу генерал армии Герасимов является временно исполняющим обязанности министра обороны Российской Федерации[11].
Владимир Путин и Валерий Герасимов 2013 год
В январе 2013 года выступил перед общим собранием Академии военных наук с докладом на тему «Основные тенденции развития форм и способов применения ВС, актуальные задачи военной науки по их совершенствованию»[12].
Генерал армии Герасимов является председателем Межведомственной комиссии по Государственной премии имени Маршала Г. К. Жукова.
Организатор военной операции России в Сирии, начатой в сентябре 2015 года. За мужество и героизм, проявленные при исполнении воинского долга, в мае 2016 года закрытым указом президента России удостоен высшей государственной награды — звания Героя Российской Федерации.
Валерий Герасимов на учениях «Центр-2019» Центрального военного округа. Оренбургская область. 20 сентября 2019 года
С середины 2015 года рядом натовских военных специалистов называется создателем так называемой доктрины Герасимова, которая легла в основу российской концепции войны нового поколения[13].
Валерий Герасимов, Сергей Шойгу и Владимир Путин в сентябре 2022 года
24 октября 2022 года прошли телефонные переговоры между главой Объединённого комитета начальников штабов США генералом Марком Милли и начальником российского генерального штаба Герасимовым по вопросам, связанным с безопасностью[14].
11 января 2023 года министр обороны Сергей Шойгу назначил Герасимова «командующим Объединённой группировкой войск (сил)» (точная и полная формулировка Министерства обороны РФ)[2][15].
Орден Дружбы народов (Белоруссия, 31 марта 2010 года) — за значительный личный вклад в укрепление мира, дружественных отношений и сотрудничества между Республикой Беларусь и Российской Федерацией[23]
25 июня 2024 года досудебная палата МУС выдала ордер на арест Валерия Герасимова (а также экс-министра обороны и секретаря Совета безопасности РоссииСергея Шойгу). Причиной названы предполагаемые международные преступления в ходе военных действий на Украине. Россия входит в число стран, не признающих юрисдикцию МУС[37].
Герасимов В. В. Ценность науки в предвидении (рус.) // Военно-промышленный курьер : еженедельная газета. — 2013. — 27 февраль (т. 476, № 8).
Герасимов В. В. ИГИЛ начался с «Талибана» (рус.) // Военно-промышленный курьер : еженедельная газета. — 2015. — 14 октябрь (т. 605, № 39).
Герасимов В. В. Опыт первой атаки. Насаждение ценностей западной демократии взорвало Ближний Восток (рус.) // Военно-промышленный курьер : еженедельная газета. — 2016. — 11 май (т. 632, № 17).
Герасимов В. В. Мир на гранях войны. Мало учитывать сегодняшние вызовы, надо прогнозировать будущие (рус.) // Военно-промышленный курьер : еженедельная газета. — 2017. — 15 март (т. 674, № 10).
Герасимов В. В. Опыт стратегического руководства в Великой Отечественной войне и организация единого управления обороной страны в современных условиях (рус.) // Вестник Академии военных наук : журнал. — 2015. — Т. 51, № 2. — С. 5.
Герасимов В. В. Организация обороны Российской Федерации в условиях применения противником «традиционных» и «гибридных» методов ведения войны (рус.) // Вестник Академии военных наук : журнал. — 2016. — Т. 55, № 2. — С. 19.