Родился 28 февраля 1893 г. в Пензе. Его отец - Илларион Епифанович Пудовкин - был родом из крестьян, работал приказчиком и коммивояжером. Мать - Елизавета Александровна (в девичестве Шилкина) - занималась домашним хозяйством. Через четыре года семья переехала в Москву.
Всеволод Пудовкин окончил 6-ю Московскую гимназию. Затем был принят на отделение естественных наук физико-математического факультета Московского университета (ныне Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова). Завершить обучение не успел из-за начала Первой мировой войны.
В 1914 г. добровольцем ушел на фронт, воевал в составе 53-й полевой артиллерийской бригады. В 1915 г. был ранен, попал в плен. Содержался в лагере в Померании (Пруссия), где работал химиком. В конце 1918 г. ему удалось бежать на родину, в Советскую Россию.
В Москве сперва работал делопроизводителем в военкомате, затем устроился в лабораторию завода по производству химического оружия "Фосген-1".
С 1920 г. Всеволод Пудовкин учился в Первой государственной школе кинематографии при Всероссийском фотокиноотделе Наркомпроса (Госкиношкола; ныне Всероссийский государственный университет кинематографии им. С. А. Герасимова, ВГИК). В том же году впервые снялся в кино, сыграв красного командира в немой картине Ивана Перестиани "В дни борьбы".
Всеволод Пудовкин учился на курсе режиссера, основателя Госкиношколы Владимира Гардина, работал с ним в качестве второго режиссера и актера на съемках фильма "Серп и молот" (1921), участвовал в постановке агит-ленты "Голод. Голод. Голод" (1921) и др.
В 1922-1925 гг. учился в мастерской (экспериментальной лаборатории) Льва Кулешова, известного теоретика кино, режиссера и сценариста. Снялся в центральных ролях в фильмах "Необычайные приключения мистера Веста в стране большевиков", "Луч смерти" и др. После ухода Кулешова из Госкиношколы Всеволод Пудовкин подрабатывал карикатуристом в журнале "Безбожник".
Весной 1925 г. он поступил на студию "Межрабпом-Русь" (ныне Центральная киностудия детских и юношеских фильмов им. М. Горького).
Его первыми самостоятельными режиссерскими работами стали немой короткометражный фильм "Шахматная горячка" (1925, совм. с Николаем Шпиковским), созданный по мотивам 1-го московского международного шахматного турнира, и научно-популярная лента "Механика головного мозга" (1926) об опытах и теоретических трудах физиолога Ивана Павлова.
В 1926 г. Всеволод Пудовкин снял первый полнометражный черно-белый немой фильм - драму "Мать" по мотивам одноименного романа Максима Горького. Вместе с Пудовкиным над фильмом работал сценарист Натан Зархи, в главных ролях снялись Вера Барановская (Ниловна) и Николай Баталов (Павел Власов). В 1927 г. картина была показана в СССР, а также во Франции, после чего лента получила мировое признание. "Мать" Всеволода Пудовкина и Натана Зархи вошла в список лучших фильмов в истории мирового киноискусства.
В 1927 и 1928 гг. Пудовкин снял ленты "Конец Санкт-Петербурга" по сценарию Натана Зархи и "Потомок Чингис-хана", над сценарием которой работали Осип Брик и Иван Новокшонов. Вместе с драмой "Мать" эти картины составили историко-революционную трилогию режиссера. "Конец Санкт-Петербурга" был запрещен к показу цензурой, а "Потомок Чингис-хана" был показан во Франции в 1931 г. под названием "Буря над Азией" с купюрами.
Одновременно Всеволод Пудовкин выступал в качестве сценариста, художника, актера. В частности, сыграл Протасова в ленте Федора Оцепа "Живой труп" ("Законный брак"; 1928).
В первой половине 1930-х гг. режиссер выпустил немой фильм "Простой случай" (совм. с Михаилом Доллером; 1932) и звуковую картину "Дезертир" (1933).
С 1936 г. он работал на киностудии "Мосфильм", где поставил ряд исторических лент. Вместе с Михаилом Доллером Всеволод Пудовкин снял фильм "Победа" (1938) о беспосадочном кругосветном перелете советских летчиков-испытателей, картины "Минин и Пожарский" (1939) и "Суворов" (1941), удостоенные государственных премий.
Во время Великой Отечественной войны киностудия "Мосфильм" была эвакуирована в Алма-Ату. Здесь Всеволод Пудовкин снял киноновеллу "Пир в Жирмунке" (совм. с Михаилом Доллером), которая вошла в "Боевой киносборник №6" (1941). В 1942 г. работал над картиной "Убийцы выходят на дорогу" по мотивам пьесы Бертольта Брехта "Страх и отчаяние в Третьей империи" (совм. с Юрием Таричем), которая, однако, не вышла в прокат. В 1943 г. вместе с Дмитрием Васильевым снял картину по пьесе Константина Симонова "Русские люди", получившую название "Во имя Родины", сыграл в ней немецкого генерала. В 1945 г. снялся в роли юродивого Николы в "Иване Грозном" Сергея Эйзенштейна.
По возвращении из эвакуации Всеволод Пудовкин продолжил режиссерскую деятельность, параллельно преподавал режиссуру во ВГИКе (с 1950 г. - профессор).
В 1945 г. приступил к съемкам картины об адмирале Павле Нахимове (сценарий Игоря Луковского). Однако первая версия фильма была раскритикована руководителем СССР Иосифом Сталиным, который упрекнул режиссера в "незнании истории", а ленту - в легкомысленности. В 1946 г. после пересъемки ряда сцен, в частности, Синопского сражения, "Адмирал Нахимов" вышел в прокат. Всеволод Пудовкин был удостоен Сталинской премии I степени в области литературы и искусства, фильм был отмечен на Венецианском кинофестивале и кинофестивале в Локарно.
В 1950 г. на экраны вышел первый цветной фильм Пудовкина - "Жуковский" (совм. с Дмитрием Васильевым), посвященный советскому конструктору, основоположнику аэродинамики Николаю Жуковскому. Эта работа также была удостоена Сталинской премии и награды Международного кинофестиваля в Карловых Варах.
В 1953 г. был выпущен последний фильм режиссера - "Возвращение Василия Бортникова", снятый по мотивам романа Галины Николаевой "Жатва".
Являлся одним из теоретиков советского киноискусства. Одним из первых применил метод ускоренной съемки (100 и более кадров в секунду), который позволяет показать движение в замедленном темпе. Впервые в СССР использовал новый прием - монтаж с обратным кадром, нелинейное повествование, суть которого состоит в комбинации сцен, происходящих в разное время и в разных местах.
Автор книг "Киносценарий (теория сценария)" (1926), "Кинорежиссер и киноматериал" (1926), "Актер в фильме" (1934), "Работа актера в кино и система Станиславского" (1952). Книги и теоретические статьи Пудовкина переведены на многие языки мира и до сих пор изучаются в профильных вузах.
Всеволод Пудовкин скончался 30 июня 1953 г. в Юрмале (Латвия), где находился на отдыхе в Доме творчества писателей. Похоронен на Новодевичьем кладбище Москвы.
Всеволод Пудовкин был членом ВКП(б) с 1939 г.
Возглавлял Российскую ассоциацию работников революционной кинематографии, киносекцию Всесоюзного общества культурных связей с зарубежными странами. Был членом Советского комитета защиты мира.
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1940).
Народный артист СССР (1948).
Лауреат трех Сталинских премий I степени (1941, 1947, 1950).
Награжден двумя орденами Ленина (1935, 1950), Трудового Красного Знамени (1944, 1953), орденом Красного Знамени, медалями.
Обладатель премий за лучшие массовые сцены VIII Международного кинофестиваля в Венеции (1947; "Адмирал Нахимов"), за выдающуюся режиссуру V Международного кинофестиваля в Карловых Варах (1950; "Жуковский), премии "Золотой колос" на Международном кинофестивале сельскохозяйственных фильмов в Риме (1953; "Возвращение Василия Бортникова").
Свободно владел английским, немецким, польским, французским языками.
Супругой режиссера была актриса Анна Николаевна Земцова (экранный псевдоним - Анна Ли; 1893-1966).
Именем Всеволода Пудовкина названа одна из улиц Москвы, расположенная рядом с киностудией "Мосфильм". Мемориальная доска установлена в Москве на доме, где жил режиссер, по адресу ул. Поварская, дом 31/29, стр. 1 (1958).