Mensalão
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Em 2012 foi preso e condenado por corrupção passiva e lavagem de dinheiro a 7 anos e 10 meses no mensalão, e recebeu uma multa de 1,6 milhão de reais. Em 10 de novembro de 2014, o ministro do STF, Luís Roberto Barroso, autorizou que Costa cumprisse o restante da pena do mensalão em prisão domiciliar. Em 2015, recebeu indulto do STF. Em 2016, Barroso concedeu perdão da pena.
Operação Porto Seguro
Em 2013 foi investigado na Operação Porto Seguro, deflagrada no ano anterior, e que revelou um suposto esquema de fraudes em pareceres técnicos e em agências reguladoras e órgãos federais. A partir dos áudios das interceptações telefônicas, o procurador Roberto Gurgel sustenta que o parlamentar, valendo-se de sua influência política, prestava e solicitava favores a Paulo Vieira, além de haver indícios de patrocínio de interesses privados perante a administração pública.
Petrolão
Ver artigo principal: Operação Lava Jato
Em 2015 foi citado por Ricardo Pessoa, dono da UTC Engenharia, investigado na Operação Lava Jato. Ele contou que Valdemar Costa Neto, condenado no Mensalão, recebeu 200 mil reais "por fora" e 300 reais mil em doações oficiais, para manter as portas abertas com o PR, que dominava o Ministério dos Transportes. Segundo Pessoa, nunca houve contraprestação concreta.