Родился 10 сентября 1872 г. (29 августа по старому стилю) в Санкт-Петербурге в семье железнодорожного служащего.
В 1896 г. окончил Петербургское пехотное юнкерское училище.
Затем служил в польском городе Ломжа (Российская империя, ныне Республика Польша).
В 1900 г. добился перевода в 1-й Владивостокский крепостной пехотный полк.
С 1903 г. был начальником Владивостокской конно-охотничьей команды, ответственным за составление карт.
Во время Русско-японской войны 1904-1905 гг. возглавлял все четыре охотничьих (разведывательных) команды крепости Владивосток.
В 1903 г. стал членом Общества изучения Амурского края (Владивосток).
В 1909 г. был избран членом Императорского Русского географического общества, в 1911 г. - членом Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии.
В 1910-1918 гг. был директором Хабаровского краеведческого музея.
После Октябрьской революции 1917 г. завершил военную карьеру.
В 1920-е гг. работал в музее Общества изучения Амурского края, где руководил этнографическим отделом.
В 1924 г. вернулся на пост директора Хабаровского краеведческого музея, проработав на этой должности до 1925 г.
Преподавал в Хабаровском и Владивостокском университетах.
Принимал участие в подготовке переписи населения 1926 г., в составлении этнографической карты Сибири.
Владимир Арсеньев скончался 4 сентября 1930 г. на 58-м году жизни во Владивостоке от воспаления легких. Похоронен на владивостокском Морском кладбище.
В период с 1900 по 1930 г. Арсеньев провел около 20 исследовательских экспедиций в малоизученные районы Приморья, Приамурья, Камчатки и Охотского побережья. В их числе экспедиции по Уссурийскому краю (1902-1907), в район горного хребта Сихотэ-Алинь (1906, 1907-1908, 1908-1910, 1912-1913), на полуостров Камчатка (1918), на Командорские острова (1923), по маршруту Советская Гавань - Хабаровск (1927) и др. В путешествиях ему помогали проводники из местного населения, в т. ч. Дерсу Узала, ставший одним из главных героев наиболее известных произведений писателя.
Благодаря деятельности Владимира Арсеньева было открыто более 200 археологических памятников Дальнего Востока. Он описал рельеф Приморья, впервые детально изучил горную систему Сихотэ-Алинь. Изучал народы Приморья, в т. ч. удэгейцев. Этнографические коллекции Арсеньева хранятся в Российском этнографическом музее в Санкт-Петербурге, в Хабаровском краеведческом музее и др.
Владимир Арсеньев был награжден орденами Российской империи - св. Анны II, III и IV степеней, св. Станислава II и III степеней, св. Владимира IV степени, многими медалями, в т. ч. "За поход в Китай".
Владимир Арсеньев - автор более 130 опубликованных научных исследований и работ, а также книг "По Уссурийскому краю" (1921), "Дерсу Узала" (1923), "В горах Сихотэ-Алиня" (1937) и др. Первые две были переизданы на 30 языках народов мира. По мотивам "Дерсу Узала" были сняты два художественных фильма: в 1961 г. - советским режиссером Агаси Бабаяном, в 1975 г. - японцем Акирой Куросавой (за эту картину режиссер в 1976 г. получил американскую премию "Оскар" в номинации "лучший фильм на иностранном языке").
Память о путешественнике и ученом увековечена в названиях географических объектов, населенных пунктов, улиц и др. В честь Владимира Арсеньева названы, в частности, город и река в Приморском крае, аэропорт Владивостока, ледник на северном склоне Авачинской сопки (вулкан на Камчатке). Его имя также носит Музей истории Дальнего Востока (Владивосток). В сентябре ежегодно в Приморском крае проводится международная научно-практическая конференция "Арсеньевские чтения".