В 1966 году Валентин Карлов окончил среднюю специальную музыкальную школу при Ленинградской консерватории по классу Валерия Безрученко. В 1971 году по его же классу закончил Ленинградскую консерваторию. В 1971—1972 годах Карлов играл в духовом оркестре Ленинградского военного округа. С 1972 года он является солистом-регулятором заслуженного коллектива России академического симфонического оркестра Ленинградской (ныне Санкт-Петербургской) филармонии.  Работу в оркестре совмещает с сольной и ансамблевой концертной деятельностью. Был участником квинтета деревянных духовых инструментов Ленинградской филармонии. С октетом солистов ЗКР гастролировал в Японии, Корее, на Тайване. Часто выступает в различных по составу камерных ансамблях, исполняет музыку классиков и современных петербургских композиторов, принимает участие в музыкальных фестивалях Санкт-Петербурга.

В 1991 году ему было присвоено звание Заслуженный артист Российской Федерации, в 2011 году — Народный артист Российской Федерации.