Владимир Афанасьевич Обручев родился 28 сентября 1863 года в имении своего деда в селе Клепинино Ржевского уезда Тверской губернии. Он был вторым ребёнком в семье штабного офицера Афанасия Александровича Обручева, который в 1864 году получил чин капитана. Его дед, генерал Александр Афанасьевич Обручев, за службу в Польше получил польские земли. Прадед, Афанасий Фёдорович Обручев, занимался строительством военных крепостей на западных границах России. Мать, Полина Карловна, урожденная Гертнер, была дочерью лютеранского пастора из Ревеля. Брат отца, генерал-майор В. А. Обручев, и сестра отца, М. А. Сеченова, первая женщина-офтальмолог в России, также были известными личностями. Сеченовы часто принимали Обручева в их имении Клепинино, где он пользовался богатой семейной библиотекой.

Из-за частых переездов отца по службе, с трёх до 17 лет Владимир жил в разных городах Польши и выучил польский язык. Он получил домашнее начальное образование, а мать, владея немецким и французским языками, привила ему интерес к книгам о путешествиях. Образование он начал в прогимназии Бреста, продолжил в Радомской гимназии и окончил в реальном училище Вильно.

Высшее образование Обручев получил в Горном институте Санкт-Петербурга, где учился с 1881 по 1886 год. В 1885 году он проходил практику на Урале. С августа по декабрь 1886 года он вёл геологические исследования при строительстве Закаспийской железной дороги. С января по август 1887 года отбывал воинскую повинность в Санкт-Петербурге. В том же году он опубликовал свою первую научную работу «Пески и степи Закаспийской области», удостоенную серебряной медали Императорского Русского географического общества.

В 1892 и 1894 годах Обручев участвовал в экспедициях Григория Потанина как геолог. В 1895 и 1898 годах он руководил горной партией в Восточной Сибири, способствуя строительству Транссибирской железнодорожной магистрали. Он был первым штатным геологом Сибири и считал себя преемником Ивана Дементьевича Черского.

После революции 1905 и 1907 годов Обручев был членом Конституционно-демократической партии и возглавлял её Томский комитет. В 1901 и 1912 годах он преподавал в Томском технологическом институте и был первым деканом горного отделения. В 1912 году ему пришлось уйти из преподавания, так как царские чиновники предложили ему перейти в другой институт, где не было кафедры геологии. В этот период он написал роман «Плутония».

С 1916 года Обручев стал почётным членом Российского минералогического общества. В 1918 и 1921 годах он преподавал в Таврическом университете в Симферополе. В 1919 году ему была присвоена степень доктора геогнозии и минералогии Советом Донского университета. С 1921 по 1929 год он был профессором по кафедре прикладной геологии в Московской горной академии.

С 1930 года Обручев возглавлял комиссию по изучению вечной мерзлоты, а с 1939 по 1956 годы был директором Института мерзлотоведения АН СССР. В 1930 году он стал первым директором Геологического института АН СССР. В 1942 и 1946 годах он был академиком-секретарём Отделения геолого-географических наук АН СССР, а с 1946 по 1953 годы, членом Президиума АН СССР. С 1947 года он был почётным президентом Географического общества СССР.

Обручев внёс значительный вклад в популяризацию науки, активно занимаясь просветительской работой среди молодёжи. Он поддерживал контакты со школами и Домами пионеров, а также вёл переписку с учителем-краеведом Н. М. Ревякиным. Владимир Афанасьевич Обручев скончался 19 июня 1956 года и был похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.