Борис Битюков был актером без профессионального образования. Учась в Московском Гидромелиоративном институте, он играл во вспомогательном составе труппы в Камерном театре у Александра Таирова. Там на него обратил внимание режиссер Сергей Герасимов. В 1939—1945 годах Борис Валентинович служил в Красной армии. Участник Великой Отечественной войны, старшина, дважды ранен.
Когда Битюков вернулся с войны, Герасимов пригласил его на роль Ивана Земнухова сначала в спектакль Театра-студии киноактера, а затем и в свой знаменитый фильм.
После премьеры "Молодой гвардии" пятеро исполнителей главных ролей были награждены Сталинской премией. Борису Битюкову премии не дали. Однако Сергей Герасимов настоял, чтобы актер все же стал лауреатом, и Борис Битюков был награжден за участие в своем следующем фильме "Жуковский" - где он сыграл небольшую роль ученика Жуковского.
В первом отечественном кинодетективе "Дело №306" Борис Битюков сыграл главную роль капитана Мазарина, после чего стал самым любимым актером советской милиции. На этом образе воспитали целое поколение милиционеров. Но больше никаких звёздных ролей в его жизни не случилось.
Битюков снялся примерно в полусотне фильмов, среди которых "Большая семья", "Жажда", "Живые и мертвые", "Повесть о неизвестном актере", "Гонки по вертикали", "От зарплаты до зарплаты". Из-за болезни глаз он ушел из кино в конце 80-х, но до 1991 года работал на сцене Театра киноактера, где сыграл множество разноплановых ролей.
Борис Битюков умер 15 января 2002 года на 81 году жизни, однако коллеги актера узнали об этом спустя несколько дней. Как сообщила в интервью киноактриса Людмила Шагалова, так распорядился он сам. "Последние годы Борис Валентинович ни с кем не общался, никому не звонил, - сказала она. Он был обижен даже на детей, которые не навестили его, когда отец лежал в больнице с инсультом. В итоге вдова Битюкова о его смерти никому решила не сообщать. Только в отдел кадров Союза кинематографистов, да и то уже после похорон". Урна с прахом захоронена на 24-м участке Востряковского кладбища Москвы.