В 1945 году окончил Воронежскую спецшколу Военно-воздушных сил (ВВС), позднее Качинское военное авиационное училище летчиков, затем Военно-воздушную академию. 28 апреля 1972 года защитил диссертацию в КВВА им. Ю.А.Гагарина и получил степень кандидата технических наук.
Служил летчиком-инструктором в Качинском училище, позднее был заместителем командира эскадрильи, командиром эскадрильи и заместителем командира авиационного полка.
Совершил три космических полета, первый из них — 14 января 1969 года на корабле «Союз-4». Тогда впервые было осуществлено ручное сближение и стыковка с «Союзом-5».
При участии Шаталова впервые в мире была создана экспериментальная космическая станция и осуществлен переход через открытый космос космонавтов Алексея Елисеева и Евгения Хрунова из корабля «Союз-5» в «Союз-4».
Второй полет состоялся в том же году, в октябре. Шаталов был командиром корабля «Союз-8» совместно с Елисеевым. Тогда это был групповой полет трех советских космических кораблей. С интервалом в сутки были запущены корабли «Союз-6» (командир — Георгий Шонин), «Союз-7» (командир — Анатолий Филипченко) и «Союз-8». В ходе полета Шаталов и Елисеев осуществили экспериментальный сеанс связи с ЦУП и корабельным измерительным пунктом «Космонавт Владимир Комаров» через спутник «Молния-1».
Третий космический полет Шаталова в качестве командира корабля «Союз-10» состоялся в апреле 1971 года. Тогда была осуществлена первая в мире стыковка космического корабля с орбитальной станцией «Салют». Тогда же был запланирован и переход экипажа на борт станции, но из-за поломки стыковочного агрегата корабля переход на орбитальную станцию «Салют» был отменен.
С 1971 по 1991 год был членом Государственной комиссии по пилотируемым космическим полётам.
В 1980 году выступил в качестве консультанта научно-фантастического фильма «Через тернии к звёздам».
С 3 января 1987 по 19 сентября 1991 года служил начальником Центра подготовки космонавтов.
9 мая 1992 года был уволен в запас.
После смерти Джона Гленна был старейшим из участников космических полётов.