Родился 8.12.1927 в городе Петропавловск Северо-Казахстанской области в семье рабочего. Русский. Член КПСС с 1953. Окончил 10 классов.

В Советской Армии с 1945. Окончил Качинское военно-авиационное училище летчиков в 1949, Военно-воздушную академию в 1956. С 1949 летчик-инструктор в училище, затем командир эскадрильи, заместитель командира авиационного полка и на других должностях.

С 1963 в отряде космонавтов.

Совершил 3 полета в космос в качестве командира корабля. 14—17.01.69 в ходе полета на корабле «Союз-4» осуществил ручное сближение и стыковку с кораблем «Союз-5».

За этот полет и обеспечение 1-го в мире перехода космонавтов из корабля в корабль 22.01.69 полковнику Шаталову присвоено звание Героя Советского Союза.

13—18.10.69 на корабле «Союз-8» участвовал в групповом полете космических кораблей «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8».

22.10.69 за мужество и героизм, проявленные в этом полете, полковник Шаталов награжден второй медалью «Золотая Звезда».

Третий полет совершил 23—25.4.71 на корабле «Союз-10» и орбитальной станции «Салют».

С 1971 руководитель подготовки космонавтов, с 1987 начальник Центра подготовки космонавтов.

Генерал-лейтенант авиации (1975).

Депутат Верховного Совета СССР 9—10-го созывов.

Государственная премия СССР (1981).

Награжден 3 орденами Ленина, орденом Октябрьской Революции, медалями, иностранными орденами и медалями.

Награжден золотой медалью К. Э. Циолковского АН СССР, почетным дипломом имени В. М. Комарова (ФАИ) и золотой медалью имени Ю. А. Гагарина АН СССР.

Бронзовый бюст Шаталова установлен на родине. Его именем назван кратер на Луне.