Родился 10 марта 1946 г. в Свердловске (ныне Екатеринбург) в семье Василия Павловича Гостюхина (1910-1989) и Александры Ивановны Зайковой (1910-1967). Его отец был руководителем районного Дома культуры, одним из создателей Уральского народного хора. Мать работала директором магазина, участвовала в постановках самодеятельного театра.
Владимир Гостюхин окончил радиотехникум в Свердловске, после чего работал электриком на городском Центральном стадионе. В годы учебы в техникуме увлекся театром, посещал театральный кружок Дома культуры им. Я. М. Свердлова.
В середине 1960-х гг. поступил в Москве в Государственный институт театрального искусства им. А. В. Луначарского (ныне Российский институт театрального искусства - ГИТИС). Учился на курсе педагога Всеволода Остальского. Окончил вуз в 1970 г. В том же году дебютировал в кино, исполнив эпизодические роли в картинах "Был месяц май" Марлена Хуциева и "Сердце России" Веры Строевой.
После окончания ГИТИСа Владимир Гостюхин прошел воинскую службу, затем в течение шести лет работал реквизитором-мебельщиком в Центральном академическом театре Советской (ныне Российской) армии. Не имел постоянного места в труппе, был задействован лишь в отдельных спектаклях (в частности, сыграл старшину Бокарева вместо заболевшего актера в постановке "Неизвестный солдат" по повести Анатолия Рыбакова).
В 1974 г. исполнил роль Алексея Красильникова в экранизации трилогии Алексея Толстого "Хождение по мукам" режиссера Василия Ордынского. На съемках этого многосерийного фильма Гостюхина заметили ассистенты режиссера Ларисы Шепитько, подбиравшей актеров для съемок военной драмы "Восхождение" по повести Василя Быкова "Сотников". Фильм вышел на экраны в 1977 г., был удостоен множества наград, в том числе главного приза Берлинского кинофестиваля. Исполненная в "Восхождении" роль предателя Коли Рыбака принесла Гостюхину широкую известность. В дальнейшем он сыграл в фильмах "Старшина" (1979, режиссер Николай Кошелев), "Охота на лис" (1980, Вадим Абдрашитов), "В поисках капитана Гранта" (1985, Станислав Говорухин), "Моонзунд" (1987, Александр Муратов) и др. В начале 1990-х гг. снялся в фильмах Никиты Михалкова "Автостоп" (1990) и "Урга - территория любви" (1991).
С начала 1980-х гг. Владимир Гостюхин проживает в Минске. С 1981 г. служит в минском Театре-студии киноактера. Поставил в нем спектакли "Миленький ты мой" по пьесе Михаила Ворфоломеева и "Анна Снегина" по поэме Сергея Есенина, исполнил в них главные роли.
В 1997 г. выступил в качестве режиссера белорусского художественного фильма "Ботанический сад".
Наиболее популярным экранным образом актера в 2000-х гг. стал Федор Иванович Афанасьев, один из двух главных героев сериала Юрия Кузьменко "Дальнобойщики". На протяжении 2000-2010-х гг. он также снялся в фильмах "Подари мне лунный свет" (2001, Дмитрий Астрахан), "Война" (2002, Алексей Балабанов), "Сказ про Федота-стрельца" (2002, Сергей Овчаров), "Три дня лейтенанта Кравцова" (2012, Александр Даруга), "Елки 1914" (2014, Тимур Бекмамбетов и др.), сериалах "Заколдованный участок" (2006, Александр Баранов), "Пепел" (2013, Вадим Перельман), "Оттепель" (2013, Валерий Тодоровский) и др. Последняя роль к настоящему времени - Валерий Иванович в восьмисерийной мелодраме "Разбитое зеркало" (2020). В общей сложности Владимир Гостюхин снялся в более чем 100 фильмах и сериалах.
Народный артист Белоруссии (1996).
Лауреат премии Ленинского комсомола (1980), Государственной премии Белорусской ССР (1982), Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры (1985), Государственной премии РФ в области литературы и искусства (1993).
Награжден российскими медалью Пушкина (2007) и орденом Дружбы (2021), белорусскими медалью (2006) и орденом (2011) Франциска Скорины.
Обладатель призов за лучшую мужскую роль на международных кинофестивалях в Сан-Ремо (Италия; 1982 - "Охота на лис") и Сопоте (Польша; 1990 - "Наш бронепоезд").
Женат четвертым браком. Супруга - актриса Алла Пролич. Дочери - Ирина, Маргарита, Александра.