Wladimir Afanasjewitsch Obrutschew wurde am 28. September 1863 auf dem Gut seines Großvaters im Dorf Klepinino im Rschewskij Ujesd der Twerer Gubernija geboren. Er war das zweite Kind in der Familie des Stabsoffiziers Afanasij Alexandrowitsch Obrutschew, der 1864 den Rang eines Hauptmanns erhielt. Sein Großvater, General Alexander Afanasjewitsch Obrutschew, erhielt für seinen Dienst in Polen polnisches Land. Der Urgroßvater, Afanasij Fjodorowitsch Obrutschew, war mit dem Bau von Militärfestungen an den westlichen Grenzen Russlands beschäftigt. Die Mutter, Polina Karlowna, geborene Gertner, war die Tochter eines lutherischen Pastors aus Reval. Der Bruder des Vaters, Generalmajor W. A. Obrutschew, und die Schwester des Vaters, M. A. Sechenowa, die erste Augenärztin in Russland, waren ebenfalls bekannte Persönlichkeiten. Die Sechenows luden Obrutschew oft in ihr Gut Klepinino ein, wo er die reiche Familienbibliothek nutzen konnte.

Aufgrund der häufigen Umzüge seines Vaters wegen des Dienstes lebte Wladimir von drei bis 17 Jahren in verschiedenen Städten Polens und lernte die polnische Sprache. Er erhielt eine häusliche Grundausbildung, und seine Mutter, die Deutsch und Französisch sprach, weckte in ihm das Interesse an Reisebüchern. Seine schulische Ausbildung begann er an der Progymnasium in Brest, setzte sie an der Gymnasium in Radom fort und schloss sie an der Real-Schule in Wilna ab.

Die Hochschulausbildung absolvierte Obrutschew am Bergbauinstitut in St. Petersburg, wo er von 1881 bis 1886 studierte. 1885 absolvierte er ein Praktikum im Ural. Von August bis Dezember 1886 führte er geologische Untersuchungen beim Bau der Transkaspischen Eisenbahn durch. Von Januar bis August 1887 leistete er seinen Militärdienst in St. Petersburg ab. Im selben Jahr veröffentlichte er seine erste wissenschaftliche Arbeit "Die Sand- und Steppen der Transkaspischen Region", die mit einer Silbermedaille der Kaiserlichen Russischen Geographischen Gesellschaft ausgezeichnet wurde.

In den Jahren 1892 und 1894 nahm Obrutschew als Geologe an den Expeditionen von Grigori Potanin teil. In den Jahren 1895 und 1898 leitete er eine Bergbaugruppe in Ost-Sibirien und trug zum Bau der Transsibirischen Eisenbahn bei. Er war der erste hauptamtliche Geologe Sibiriens und betrachtete sich als Nachfolger von Iwan Dementjewitsch Tscherski.

Nach der Revolution von 1905 und 1907 war Obrutschew Mitglied der Konstitutionell-Demokratischen Partei und leitete deren Tomsker Komitee. In den Jahren 1901 und 1912 unterrichtete er am Tomsker Technologischen Institut und war der erste Dekan der Bergbauabteilung. 1912 musste er die Lehrtätigkeit aufgeben, da die zaristischen Beamten ihm anboten, an ein anderes Institut zu wechseln, wo es keinen Lehrstuhl für Geologie gab. In dieser Zeit schrieb er den Roman "Plutonien".

Ab 1916 war Obrutschew Ehrenmitglied der Russischen Mineralogischen Gesellschaft. In den Jahren 1918 und 1921 unterrichtete er an der Taurischen Universität in Simferopol. 1919 wurde ihm vom Rat der Don-Universität der Grad eines Doktors der Geognosie und Mineralogie verliehen. Von 1921 bis 1929 war er Professor am Lehrstuhl für Angewandte Geologie an der Moskauer Bergakademie.

Ab 1930 leitete Obrutschew die Kommission zur Erforschung des Permafrosts und war von 1939 bis 1956 Direktor des Instituts für Permafrostforschung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR. 1930 wurde er der erste Direktor des Geologischen Instituts der Akademie der Wissenschaften der UdSSR. In den Jahren 1942 und 1946 war er Akademiker und Sekretär der Abteilung für geologisch-geographische Wissenschaften der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, und von 1946 bis 1953 Mitglied des Präsidiums der Akademie der Wissenschaften der UdSSR. Ab 1947 war er Ehrenpräsident der Geographischen Gesellschaft der UdSSR.

Obrutschew leistete einen bedeutenden Beitrag zur Popularisierung der Wissenschaft und engagierte sich aktiv in der Aufklärungsarbeit unter der Jugend. Er pflegte Kontakte zu Schulen und Pionierhäusern und führte Korrespondenz mit dem Lehrer und Heimatforscher N. M. Rewjakin. Wladimir Afanasjewitsch Obrutschew starb am 19. Juni 1956 und wurde auf dem Nowodewitschi-Friedhof in Moskau beigesetzt.