Родился 18 августа 1934 г. в селе Карт-Казак (Красноперекопский район, Крымская АССР, РСФСР; ныне село Таврическое того же района, Республика Крым, РФ).
В 1959 г. окончил Крымский государственный медицинский институт (ныне Медицинская академия им. С. И. Георгиевского в составе Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского) по специальности "лечебное дело". В 1961-1964 гг. учился в аспирантуре по торакальной хирургии Московского научно-исследовательского онкологического института им. П. А. Герцена (ныне МНИОИ является филиалом Национального медицинского исследовательского центра радиологии Минздрава РФ).
Доктор медицинских наук. В 1966 г. защитил кандидатскую диссертацию по теме "Профилактика легочных осложнений при операциях по поводу рака легкого", в 1976 г. - докторскую (тема: "Резекция и пластика бронхов и трахеи при раке легкого"). Профессор по специальности "онкология" (1985).
В 1995 г. Владимир Харченко был избран членом-корреспондентом Российской академии медицинских наук (РАМН), в 2000 г. - академиком РАМН. С 2013 г. - академик Российской академии наук (РАН), член Отделения медицинских наук РАН (секция клинической медицины).
После окончания мединститута около трех лет работал хирургом в одной районных больниц в Казахской ССР (ныне Республика Казахстан).
В 1964-1970 гг. - врач-ординатор Московской городской онкологической больницы №62, руководитель научной группы МНИОИ им. П. А. Герцена на базе этой больницы.
С 1970 по 1976 г. был старшим научным сотрудником, руководителем отделения абдоминальной хирургии МНИОИ им. П. А. Герцена. В 1974 г. прошел стажировку по торакальной онкологии в крупнейших медицинских центрах США.
В 1976 г. перешел на работу в Московский научно-исследовательский рентгенорадиологический институт (МНИРРИ), где возглавил многопрофильную хирургическую клинику. С 1983 г. одновременно занимал должность заместителя директора по научной работе МНИРРИ.
В 1987 г. был избран директором МНИРРИ, который по его инициативе в 1998 г. был преобразован в Российский научный центр рентгенорадиологии (РНЦРР) Минздрава РФ. Возглавлял РНЦРР до 2009 г. Под руководством Владимира Харченко РНЦРР стал организационно-методической базой и координационным центром в области совершенствования методов лучевой и нелучевой диагностики, а также комбинированных и хирургических методов лечения.
В 1987 г. на базе МНИРРИ Владимир Харченко создал и возглавил кафедру онкологии и рентгенорадиологии Российского университета дружбы народов (РУДН). Было профессором этой кафедры, ныне действующей в составе Медицинского института РУДН.
С 2009 г. занимал пост научного руководителя Российского научного центра рентгенорадиологии. Являлся заместителем главного редактора журнала "Вестник Российского научного центра рентгенорадиологии Минздрава России", членом диссертационного совета РНЦРР.
Был главным внештатным специалистом радиологом Минздрава РФ.
Последовательно занимал должности президента, вице-президента, почетного президента Российской ассоциации радиологов (ныне Российское общество рентгенологов и радиологов).
Владимир Харченко участвовал в создании нового в СССР направления в лечении онкологических больных - комбинированной терапии. Инициировал разработку и внедрение технологий интервенционной радиологии в пульмонологии, маммологии, урологии, гинекологии. Предложил методы прецизионной диагностики заболеваний легких и трахеи, молочной и щитовидной желез, печени и поджелудочной железы, желудка и толстого кишечника, почек и гениталий. Разработал уникальные реконструктивно-пластические операции на бронхах, трахеи, поджелудочной железе.
Автор и соавтор более 1,1 тыс. научных работ (в т. ч. монографий, учебных пособий), посвященных актуальным проблемам диагностики и лечения онкологических и неонкологических заболеваний. Среди них "Онкоморфология легких" (1992), "Изолированная резекция бифуркации трахеи" (1992), "Рак легкого: фундаментальные проблемы и клинические перспективы" (1994), "Хроническая обструктивная болезнь легкого" (1998), "Рак желудка в вопросах и ответах" (1999), "Интервенционная радиология: рак мочевого пузыря" (2002), "Ультразвуковая диагностика щитовидной железы" (2007), "Общие вопросы клинической онкологии" (2018) и др.
Лауреат Государственной премии СССР (1988) и Государственной премии РФ в области науки и технологий 2018 г. ("за научное обоснование и внедрение в клиническую практику новой концепции снижения заболеваемости и смертности у пациентов со стенотическими заболеваниями трахеи").
Владимир Харченко скончался 19 апреля 2020 г. на 86-м году жизни. Похоронен в Москве на Троекуровском кладбище.
Был награжден орденами Почета (1999), "За заслуги перед Отечеством" III (2016) и IV (2005) степеней, медалью "За заслуги перед отечественным здравоохранением" (2002) и др.
Заслуженный деятель науки РФ (1995).
Имя Владимира Харченко носит кафедра онкологии и рентгенорадиологии РУДН.