Родился 5 июня 1930 г. в Москве.
В детстве посещал художественную школу, рисовал на кинопленке диафильмы с шаржами на соседей по коммунальной квартире.
В 1952 г. поступил на московскую киностудию "Союзмультфильм" учеником. Работал прорисовщиком, аниматором, художником-постановщиком над рядом проектов студии - в частности, картинами режиссера Ивана Иванова-Вано "Мойдодыр" (1954), "Двенадцать месяцев" (1956), "Приключения Буратино" (1959) и др.
Дебютировал как режиссер в 1960 г. в составе режиссерской группы 1-го выпуска сатирического киножурнала для взрослых "МУК" ("Мультипликационный Крокодил"). Более 15 лет работал совместно с режиссером Владимиром Пекарем (1927-1990). Попов и Пекарь создали серию анимационных сюжетов для киножурнала "Фитиль", сказку о цирковом слоненке "Впервые на арене" (1961), экранизацию рассказов Николая Носова "Случилось это зимой" (1968), дилогию о медвежонке Умке (1969-1970), военно-патриотические "Приключения красных галстуков" (1971), кукольный фильм "По щучьему велению" (1970), рисованную историю "Верните Рекса" (1975) и др.
В дальнейшем Владимир Попов работал в режиссуре без соавторов. Вышедший в 1975 г. его анимационный фильм "Радуга" получил приз на XI Международном кинофестивале детских и юношеских фильмов в Тегеране. В числе произведений Попова как самостоятельного режиссера - картины "Бобик в гостях у Барбоса" (1977), "Трое из Простоквашино" (1978), "Каникулы в Простоквашино" (1980), "Приключения Васи Куролесова" (1981), "Зима в Простоквашино" (1984), "Мы с Шерлоком Холмсом" (1985), более десяти сюжетов для "Фитиля" и др. Все эти ленты решены в юмористическом ключе. Попов привлекал в творческие группы своих фильмов художников-аниматоров Николая Ерыкалова (1941-1982), Левона Хачатряна (1941-2002), Аркадия Шера (1934-2018) и др. Много лет сотрудничал с композитором Евгением Крылатовым (1934-2019).
Последней работой режиссера стал юмористический фильм-опера "Академик Иванов" (1986) по стихотворению Эдуарда Успенского (1937-2018).
Владимир Попов умер 1 апреля 1987 г. в возрасте 56 лет в Москве. Похоронен на столичном Ваганьковском кладбище.
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1986). Был лауреатом Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых (1989, посмертно) за цикл фильмов о деревне Простоквашино. Являлся членом Международной ассоциации мультипликационного кино (АСИФА).
Был женат на Марине Поповой.