Родился 28 декабря 1885 г. в семье железнодорожного инженера, дворянина Евграфа Никифоровича Татлина и Надежды Николаевны Татлиной-Барт. После смерти матери переехал с отцом в Харьков (ныне - в составе Украины).
Рисовать начал в возрасте 7 лет. Учился в Харьковском реальном училище. В 1899 г., в возрасте 13 лет, сбежал из дома и устроился юнгой на пароход, ходивший по Черному морю. После одного рейса приехал в Москву, где несколько лет жил случайными заработками. В 1902 г. поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества, откуда был через год отчислен за неуспеваемость. В 1904 г. поступил в Одесское училище торгового мореплавания, но бросил его и в 1905 г. поступил в Пензенское художественное училище, которое окончил в 1910 г. с дипломом преподавателя рисования, черчения и чистописания.
С 1909 г. начал показывать свои работы на выставках художников-авангардистов. В 1911 г., после двух плаваний матросом в Средиземном и Черном морях, занялся оформлением театральных постановок при Московском литературном кружке, а в 1912 г. основал художественную мастерскую в Москве.
В 1910-е гг. участвовал в работе творческих объединений "Мир искусства" (Николай Рерих, Кузьма Петров-Водкин и др.), "Бубновый валет" (Аристрах Лентулов, Казимир Малевич и др.), сблизился с литераторами-футуристами, в том числе Велимиром Хлебниковым. Наравне с Казимиром Малевичем считается одним из наиболее выдающихся деятелей советского художественного авангарда. В декабре 1915 г. выставлял свои работы (т. н. "контррельефы") на "Последней футуристической выставке картин 0,10", где также был представлен "Черный квадрат" Малевича.
Наибольшую известность получил единственный архитектурный проект Владимира Татлина - памятник Октябрьской революции (затем - III Интернационалу), который планировалось установить в Петрограде (ныне - Санкт-Петербург). Монумент был заказан Татлину отделом изобразительных искусств Народного комиссариата по просвещению в 1919 г. В ноябре 1920 г. Татлин представил проект памятника, который должен был представлять собой 400-метровую башню сложной формы, в основе которой находились две сплетенные спирали. Внутри должны были располагаться помещения со стеклянными стенами.
Проект неоднократно экспонировался за рубежом, стал впоследствии одним из главных символов советского авангарда и первым образцом нового течения в архитектуре - конструктивизма. Построена "Башня Татлина" не была, однако ее модели выставляются во многих музеях мира, упрощенная копия установлена на крыше жилого комплекса "Патриарх" в Москве.
В 1925 г. поставил в Государственном институте художественной культуры (ГИНХУК) в Петрограде спектакль "Зангези" по пьесе Велимира Хлебникова, исполнил в ней главную роль.
В 1925-1927 гг. преподавал в Киевском художественном институте (ныне Национальная академия изобразительного искусства и архитектуры Украины), в 1927-1933 гг. - в Высшем художественно-техническом институте в Москве (ныне Московский государственный академический художественный институт имени В.И. Сурикова). Параллельно преподаванию работал над своим вторым знаковым проектом - "летатлиным" - махолетом-орнитоптером (летательным аппаратом, приводимым в движение мускульной силой человека). В воздух "летатлин" поднять не удалось, однако машина изначально задумывалась как произведение искусства. В настоящее время один уцелевший экземпляр выставлен в экспозиции Центрального музея Военно-воздушных сил РФ в подмосковном Монине.
Последняя прижизненная выставка Татлина прошла в 1932 г., после этого авангардизм окончательно потерял поддержку руководства СССР. В 1930-1950-х гг. художник занимался оформлением спектаклей в МХАТ, Центральном театре Советской армии, Ленкоме, Театре Моссовета и др.
Скончался в Москве 31 мая 1953 г., похоронен в колумбарии на Новодевичьем кладбище.
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1931).
Был женат на Александре Корсаковой. Сын - Владимир (художник). Также имел внебрачного сына от писательницы Нины Бам - Анатолия Ромова (писатель, сценарист).