• Окончил Армавирское военное училище в 1957 году. Проходил службу в авиационных частях ВВС в ПрибВО.
• Из аттестационного листа лётчика-истребителя: «Трудолюбив. Летать любит, в полётах не устаёт… Летает смело, грамотно, уверенно».
• В 1960 году отобран для подготовки к космическому полёту.
• 28 апреля был зачислен в первый отряд советских космонавтов, в списке четвёртый из 29 человек.
• С 31 мая проходил подготовку к космическому полёту на корабле «Восток» (в/ч 26266, Москва).

Согласно расписанию тренировок, Валентин Бондаренко заканчивал десятисуточное пребывание в сурдобарокамере в НИИ-7 ВВС (ныне Институт авиационной и космической медицины) — как и других космонавтов, его испытывали одиночеством и тишиной. В конце одного из медицинских тестов он совершил простую и непоправимую ошибку. Он снял закрепленные на теле датчики, протёр места их закрепления смоченным в спирте ватным тампоном и неосторожно его выбросил. Вата попала на спираль раскалённой электроплитки и мгновенно вспыхнула. В атмосфере почти чистого кислорода огонь быстро распространился на всю камеру. На нём загорелся шерстяной тренировочный костюм. Быстро открыть сурдобарокамеру было невозможно из-за большого перепада давления. Когда камеру открыли, Бондаренко был ещё жив. Его доставили в Боткинскую больницу, где врачи 8 часов боролись за его жизнь.

Бондаренко скончался от ожогового шока за 19 дней до первого космического полёта. Несколько часов в больнице провела группа космонавтов во главе с Юрием Гагариным.