По окончании Театрального училища им. Щепкина в 1942-1945 гг. работал во Фрунзенском русском театре. В 1945—1964 гг. в Московском театре им. Ленинского комсомола.
С 1964 года - актер Малого театра. В 1950-е гг. исполнял, как правило, роли положительных молодых героев, своих современников. С приходом в Малый театр актёрский диапазон Карновича-Валуа расширился, в репертуаре появились персонажи с неоднозначными судьбами и характерами. Актёр с успехом выступал в русской классике и в ролях исторических личностей.
Роли: Хармон («Наш общий друг» по Ч. Диккенсу), Боровский («За тех, кто в море!» Б. А. Лавренёва), Родион («Вторая любовь» Е. Мальцева и Н.А. Венстерн). Рахметов («Новые люди» по ром. «Что делать?» Н. Г. Чернышевского), Ведерников («Годы странствий» А. Н. Арбузова). Бурмин («Парень из нашего города» К. М. Симонова), Гавриил («Хлеб и розы» А. Д. Салынского), Суходеев («Большое волнение» И. М. Дворецкого), Паратов («Бесприданница» А. Н. Островского), Леонид Край («Страница дневника» А. Е. Корнейчука), Беркутов («Волки и овцы» Островского), Шалимов («Дачники» М. Горького), О'Крэди («Дипломат» С. И. Алёшина), Охотин («Человек и глобус» В. В. Лаврентьева), Мстиславский («Царь Фёдор Иоаннович» А. К. Толстого), Марягин («Летние прогулки» Салынского), Багиров («Мезозойская история» М. Ибрагимбекова), полковник Малинин («Любовь Яровая» К. А. Тренёва), Савельев («Так и будет» Симонова), Ляпкин-Тяпкин («Ревизор» Н. В. Гоголя), Стишов («Игра» по Ю. В. Бондареву), лорд Ормонд («Человек, который смеётся» по В. Гюго), Лисаневич («Холопы» П. П. Гнедича), Дольберг («Царь Пётр и Алексей» Ф. Горенштейна) и другие.
Снимался в кино и на ТВ: «Высота» (Токмаков), «Солдатское сердце» (Демченко), «Бессонная ночь» (Зубков), «Нейтральные воды» (замполит), «На пути в Берлин» (Коновалов) и другие.
Геннадий Сергеевич ушёл из жизни 2 июля 1992 года. Похоронен на 7-м участке Востряковского кладбища Москвы.