Родился 27 июня 1891 г. (по старому стилю 15 июня 1891 г.) в селе Самбек Таганрогского округа Области войска Донского Российской империи (ныне в составе Неклиновского района Ростовской обл., Россия), в семье чиновника Михаила Ивановича Петлякова. После смерти отца многодетная семья обосновалась в Таганроге.
В 1902 г. окончил трехклассное приходское училище, в 1910 г. - восьмиклассное Таганрогское техническое училище (ныне Таганрогский авиационный колледж имени В. М. Петлякова). В 1911 г. поступил на механический факультет Императорского Московского технического училища (ныне Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана). После перерыва, вызванного материальными трудностями, восстановился и в 1922 г. окончил это учебное заведение, когда оно уже носило название Московское высшее техническое училище (МВТУ). Тема дипломного проекта - "Легкий одноместный спортивный моноплан".
В период с 1906 г. по 1916 г. работал лаборантом на рудничной спасательной станции, кочегаром, помощником машиниста Таганрогского железнодорожного депо, токарем на заводе в Брянске, прорабом архитектурного бюро в Москве.
В 1917-1918 гг. был техником-чертежником авиационного расчетно-испытательного бюро при аэродинамической лаборатории МВТУ.
В 1921-1936 гг. - сотрудник Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ, Москва), подчиненный авиаконструктора Андрея Туполева. Первоначально конструировал глиссеры и аэросани для нужд Рабоче-крестьянской Красной армии.
В 1925-1936 г. возглавлял в авиационном отделе ЦАГИ группу, проектировавшую крылья для самолетов Туполева. С 1932 г. - начальник бригады по постройке и внедрению в серию тяжелых многомоторных самолетов.
Летом 1936 г. был назначен начальником конструкторского отделения и первым заместителем главного конструктора, затем - главным конструктором завода опытных конструкций ЦАГИ.
В ноябре 1937 г. был арестован вместе с рядом других сотрудников ЦАГИ по надуманному обвинению.
С 1938 по 1940 гг. в условиях заключения возглавлял бригаду ЦКБ-29 НКВД, разработавшую тяжелый истребитель ВИ-100.
После освобождения в 1940 г. был назначен главным конструктором Московского авиационного завода номер 39 имени В. Р. Менжинского, годом позже возглавил конструкторское бюро на авиазаводе №22 в Казани (ныне Казанское авиационное производственное объединение имени С. П. Горбунова).
Владимир Петляков участвовал в разработке самолетов АНТ-2, АНТ-3, АНТ-25 (РД), первых советских тяжелых бомбардировщиков ТБ-1 (АНТ-4) и ТБ-3 (АНТ-6). Создал высотный бомбардировщик дальнего действия Пе-8 (рабочие названия - ТБ-7, АНТ-42, первый полет в 1936 г.), пикирующий бомбардировщик Пе-2 (1939, разработан на базе истребителя ВИ-100), тяжелый истребитель Пе-3 (1941) и др. Петляков - один из организаторов металлического самолетостроения в СССР. Внес значительный вклад в развитие методов расчета на прочность - в частности, создал метод расчета многолонжеронного металлического свободнонесущего крыла с гофрированной обшивкой ("метод Петлякова").
Владимир Петляков погиб 12 января 1942 г. в результате катастрофы бомбардировщика Пе-2 близ д. Мамешево (ныне в составе Сергачского района Нижегородской обл.). Самолет, следовавший из Казани в Москву, из-за технической неполадки загорелся и разбился. Авиаконструктор похоронен на Арском кладбище Казани.
Лауреат Сталинской премии I степени (1941, за разработку самолета Пе-2). Был награжден двумя орденами Ленина, орденом Красной Звезды.
Был женат на Марии Владимировне Петляковой. Дети - сын Михаил и дочь Галина.