Родился 19 июля 1935 г. в Москве в семье Бориса Николаевича (1904-1972) и Евгении Казимировны (1907-1978) Ливановых. Его отец был актером и режиссером, народным артистом СССР, мать - художницей.
В 1954 г. Василий Ливанов окончил Московскую среднюю художественную школу при Академии художеств СССР (ныне Московский академический художественный лицей Российской академии художеств), в 1958 г. - Театральное училище им. Б. В. Щукина (ныне Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евгения Вахтангова). Выпускник мастерской заслуженного артиста РСФСР Иосифа Рапопорта. В 1966 г. завершил обучение на Высших режиссерских курсах при Госкино СССР (мастерская народного артиста Советского Союза Михаила Ромма).
В 1958 г. Василий Ливанов был принят в труппу Государственного академического театра им. Евгения Вахтангова, однако через год в связи с работой в кино покинул ее, так и не сыграв ни одной роли. В 1960-1964 гг. работал в Театре-студии киноактера (ныне Центр театра и кино на Поварской).
Василий Ливанов дебютировал в кино в роли геолога Андрея в фильме Михаила Калатозова "Неотправленное письмо" (1959). Во время съемок этой картины актер сорвал голос на морозе. Спустя несколько дней голос вернулся к Ливанову, но при этом изменился его тембр. Впоследствии голос стал узнаваемой индивидуальной чертой актера.
Актер снялся в более чем 40 фильмах, среди них - "Коллеги" по повести Василия Аксенова (1962, режиссер Алексей Сахаров), "Звезда пленительного счастья" (1975, Владимир Мотыль), "Ярославна, королева Франции" (1978, Игорь Масленников). Известность не только в СССР, но и во всем мире Василию Ливанову принесла роль сыщика Шерлока Холмса в цикле телефильмов "Шерлок Холмс и доктор Ватсон" по детективным произведениям Артура Конан Дойля (1979-1986, Игорь Масленников).
Василий Ливанов - режиссер и сценарист нескольких мультфильмов (1966 - "Самый, самый, самый, самый", 1970 - "Синяя птица", 1972 - "Фаэтон - сын Солнца", 1973 - "По следам бременских музыкантов"), а также кинофильма "Дон Кихот возвращается" (1997, исполнил в нем главную роль).
Актер много работал над озвучиванием мультипликационных фильмов. Его голосом разговаривали Карлсон, крокодил Гена, Дядюшка Ау, Удав ("38 попугаев"), Громозека ("Тайна третьей планеты") и другие персонажи.
В 1988-1992 гг. Василий Ливанов был художественным руководителем антрепризного театра "Детектив". Работал на телевидении, в 2001 г. на телеканале ТВЦ вышел цикл передач "Московские истории Василия Ливанова".
Член Союза кинематографистов РФ, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
Народный артист РСФСР (1988). Награжден орденами "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2005) и Почета (2016). За роль Шерлока Холмса в 2006 г. был возведен в кавалеры Ордена Британской империи.
Обладатель кинопремии "Золотой орел" в спецноминации "За вклад в кинематограф" (2017).
Автор нескольких книг воспоминаний, ряда художественных произведений (повести "Агния, дочь Агнии", "Мой любимый клоун", "Богатство военного атташе", рассказы и сказки).
Женат вторым браком. Супруга - Елена Ливанова (род. 1949, художник-мультипликатор). Сыновья - Борис (род. 1974) и Николай (род. 1984). Первой женой была Алина Энгельгардт (род. 1933). От брака с ней - дочь Анастасия (род. 1963).