Больше месяца Брумель ходил в секцию гимнастики, после чего ушел оттуда – ему стало там скучно. Решил записаться в секцию штанги, но его не приняли из-за всякого отсутствия бицепсов. Тогда Валерий уехал в пионерский лагерь, уверенный, что со спортом в его жизни покончено. Но ошибся. В лагере на него обратил внимание тренер Григорий Ефимович Головин, который предложил Валерию принять участие в соревнованиях. Причем, как позже признается сам Головин, он не питал никаких иллюзий относительно способностей Валерия, а взял его потому, что не хватало участников. Но тут случилось чудо. В первом же прыжке Валерий прыгнул на один метр двадцать сантиметров, что было не просто хорошим, а отличным показателем. И Головин безапелляционно заявил: «С этого дня будешь заниматься легкой атлетикой!»
С первых же дней в легкоатлетической секции Брумель стал одним из самых усердных учеников. Что вполне объяснимо: до этого его считали в спортивном плане парнем бесталанным и никчемным, а теперь вдруг поверили в его возможности. И он готов был лезть из кожи вон, лишь бы доказать, что в нем не ошибаются. Потому и занимался усерднее, чем все остальные ученики. И уже через несколько месяцев первые положительные результаты не заставили себя ждать. Как-то Головин принес на занятия газету с фотографией рекордсмена СССР Игоря Кашкарова и сказал Брумелю: «Ты скоро будешь прыгать выше его! Только ты должен помнить, что спорт – это не только медали и слава, это кропотливый и тяжелый труд. Слабым в нем делать нечего». Валерий на всю жизнь запомнил эти слова. Хотя его путь к славе складывался совсем непросто.
Около года Головин тренировал Брумеля, после чего вынужден был покинуть легкоатлетическую секцию. А с новым наставником отношения у Валерия не сложились, и он вскоре ушел вслед за тренером. И хотя со спортом он не расставался, однако к легкой атлетике не возвращался, предпочитая посещать другие секции: стрельбу, велосипед, баскетбол и даже шахматы. И только в 1957 году Брумелю пришлось вернуться к прыжкам в высоту, когда родная школа отправила его на городские соревнования. На них Брумель произвел настоящий фурор, прыгнув на один метр тридцать пять сантиметров и заняв 2-е место. И, как вспоминал позднее сам Брумель, именно в тот день он по-настоящему себя зауважал. Он записался в секцию легкой атлетики под руководством Петра Шейна и спустя несколько месяцев занял 2-е место на первенстве школьников Украины. После этого Брумеля заметили и отправили на сборы в Киев, где он летом 1958 года покорил высоту в один метр девяносто пять сантиметров.
В апреле 1959 года Брумель улучшил свой результат, покорив планку в два метра ровно. Однако на этом его успехи закончились. За весь сезон он сумел прибавить к этому результату