Родился 13 июля 1937 г. в Омске. Родители, сотрудники местного райкома КПСС, в 1937 г. были репрессированы по обвинению в шпионаже. После реабилитации мать работала в Радиокомитете СССР, отец был участником Советско-финляндской и Великой Отечественной войн.
В 1959 г. Владимир Лукин окончил историко-филологический факультет Московского государственного педагогического института им. В. И. Ленина (МГПИ; ныне Московский педагогический государственный университет), получив квалификацию учителя русского языка, литературы и истории. Его сокурсником был будущий известный поэт и композитор Юлий Ким. В 1964 г. окончил аспирантуру Института мировой экономики и международных отношений Академии наук СССР.
Доктор исторических наук. В 1964 г. в Институте мировой экономики и международных отношений АН СССР защитил диссертацию на соискание степени кандидата исторических наук по теме "Социал-демократия в странах Южной и Юго-Восточной Азии". В 1989 г. защитил докторскую диссертацию на тему "Американо-китайские отношения в конце 60-х - начале 70-х гг.". Профессор Высшей школы экономики (ВШЭ).
В 1959-1960 гг. работал научным сотрудником Государственного исторического музея, в 1966-1961 гг. - Музея революции СССР.
С 1961 по 1965 г. - аспирант, научный сотрудник Института мировой экономики и международных отношений АН СССР.
Был членом КПСС с 1965 по 1990 г.
В 1965-1968 гг. - старший референт редакции журнала "Проблемы мира и социализма" (Прага, Чехословацкая Социалистическая Республика; ЧССР). В 1968 г. выступил против ввода советских войск в ЧССР, за что вместе с рядом других сотрудников журнала (в т. ч. Леном Карпинским и Александром Бовиным), был отозван на родину. Около десяти лет ему был запрещен выезд за рубеж.
В 1968-1987 гг. - заведующий сектором дальневосточной политики Института США и Канады Академии наук СССР. В 1985 г. его доклад о реформах в Китае был одобрен на закрытом заседании политбюро ЦК КПСС, вскоре Владимир Лукин был переведен на работу в Министерство иностранных дел СССР.
В 1987-1989 гг. возглавлял отдел управления стран Тихого океана и Юго-Восточной Азии МИД СССР.
В 1989 г. - заместитель начальника, заведующий отделом управления оценок и планирования МИД СССР.
В 1989 г. организовал и возглавил группу анализа и прогнозирования при секретариате Верховного Совета (ВС) СССР.
В 1990 г. был членом правления фонда "Демократическая Россия", входил в одноименный блок (крупнейшее демократическое объединение 1990-1993 гг.; лидеры - Лев Пономарев, Глеб Якунин, Василий Гуслянников и др.).
В марте 1990 г. был избран народным депутатом РСФСР по Подольскому национально-территориальному округу №9 (Московская область). Изначально баллотировался от блока "Демократическая Россия", однако по предложению депутата от Сахалина Валентина Федорова был избран по квоте от Сахалинской области (сам Федоров занял пост председателя Сахалинского облисполкома).
Был членом Конституционной комиссии (орган Съезда народных депутатов РФ по подготовке проекта новой конституции).
В июне 1990 г. возглавил комитет ВС РСФСР по международным делам и внешнеэкономическим связям. В качестве его руководителя рекомендовал Андрея Козырева на должность министра иностранных дел РСФСР (позднее разошелся с ним в политических взглядах, в частности, выступал за более независимую внешнюю политику РФ). Вел работу по подготовке новых межгосударственных договоров с бывшими советскими республиками. В 1992 г. комитет стал инициатором постановки вопроса о статусе Крымского полуострова, так, решение ВС СССР 1954 г. о передаче Крыма Украине было признано неправомочным, но юридических последствий не повлекло.
В 1991 г. Владимир Лукин вошел в состав коллегии МИД СССР.
Летом 1991 г. баллотировался на пост председателя Верховного совета РСФСР, но проиграл выборы и в следующий тур не прошел. Осенью того же года главой ВС был избран Руслан Хасбулатов.
В 1991 г. был председателем Национального комитета по Азиатско-Тихоокеанскому сотрудничеству.
В начале 1992 г. вошел в парламентскую "Коалицию реформ", в декабре того же года - в пропрезидентскую фракцию "Согласие ради прогресса". В декабре на VII съезде народных депутатов РФ поддержал назначение Егора Гайдара на пост председателя правительства РФ.
С 24 января 1992 г. по 8 февраля 1994 г. - чрезвычайный и полномочный посол РФ в США. Одновременно был постоянным наблюдателем России при Организации американских государств (ОАГ).
В 1993 г., перед первыми парламентскими выборами в РФ, стал одним из трех учредителей избирательного блока Явлинский - Болдырев - Лукин. Журналисты дали блоку название "Яблоко" (по первым буквам трех фамилий), которое впоследствии стало официальным наименованием политической организации.
12 декабря 1993 г. был избран в Государственную думу РФ I созыва от блока "Яблоко" по Одинцовскому избирательному округу Московской области. С января 1994 г. по декабрь 1995 г. возглавлял комитет Госдумы по международным делам. 13 января 1994 г. участвовал в выборах председателя Думы. По итогам голосования занял третье место (за - 176) после Ивана Рыбкина (233) и Юрия Власова (200) и не прошел во второй тур.
В начале 1994 г. стал председателем региональной партии сторонников Явлинского, получившей название Московская областная региональная партия (МОРП). В январе 1995 г. МОРП вошла в состав "Яблока". Владимир Лукин наряду с Юрием Болдыревым был избран заместителем Григория Явлинского. В феврале 1995 г. возглавил также московское областное отделение "Яблока".
2 февраля 1995 г. стал сопредседателем Ассамблеи российских соотечественников.
17 декабря 1995 г. был избран в новый состав Государственной думы по списку "Яблока". В январе 1996 г. вновь возглавил комитет по международным делам. В 1996-1997 гг. был руководителем российской делегации в Парламентской ассамблее Совета Европы (ПАСЕ). С апреля 1996 г. по январь 1997 г. - вице-председатель ПАСЕ.
В августе 1996 г. участвовал в переговорах по подписанию т. н. Хасавюртовских соглашений, итогом которых стало прекращение военных действий в Чечне.
В 1997 г. стал первым президентом Паралимпийского комитета России (переизбирался на пост в 2002, 2006, 2010, 2014 и 2018 гг.). 30 марта 2021 г. сложил полномочия президента Паралимпийского комитета. Данное решение было принято в связи со вступившими в силу санкциями Всемирного антидопингового агентства (WADA), которые запрещают российским государственным чиновникам занимать руководящие посты в спортивных федерациях.
В 1998-2004 гг. - первый заместитель председателя общероссийской политической организации (с 2001 г. - партии) "Яблоко" Григория Явлинского (с 2006 г. - Российская объединенная демократическая партия "Яблоко").
В 1999-2003 гг. - депутат Государственной думы РФ III созыва. Был избран 19 декабря 1999 г. по списку "Яблока". 16 февраля 2000 г. занял пост заместителя председателя Государственной думы Геннадия Селезнева.
Был сторонником объединения "Яблока" и СПС. Перед президентскими выборами 2000 г. поддерживал в качестве единого кандидата от оппозиции Евгения Примакова.
В сентябре 2003 г. был включен в общефедеральный список "Яблока" для участия в выборах в Госдуму IV созыва, одновременно был выдвинут по Одинцовскому одномандатному избирательному округу №111 (Московская обл.). 7 декабря 2003 г. выборы в округе проиграл, заняв третье место (12,74%) после Виктора Алксниса (24,46%; от блока "Великая Россия - Евразийский союз") и Николая Ковалева (20,41%; от партии "Единая Россия"). "Яблоко" в Госдуму не прошло, не преодолев 5-процентный барьер.
В феврале 2004 г. его кандидатура была предложена президентом РФ Владимиром Путиным на пост уполномоченного по правам человека. 13 февраля 2004 г. Владимир Лукин был избран на эту должность Госдумой РФ (за - 333, против - 4, один воздержался). Сменил на посту омбудсмена Олега Миронова. Согласно действующему законодательству, 21 февраля 2004 г. приостановил членство в партии "Яблоко".
Покинул должность уполномоченного по правам человека 18 марта 2014 г. (его преемником стала Элла Памфилова).
С мая 2014 г. по сентябрь 2016 г. возглавлял комитет по этике Российского футбольного союза.
С 2014 г. - профессор-исследователь Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" (факультет мировой экономики и мировой политики).
В мае 2016 г. заявил о восстановлении членства в партии "Яблоко".
В 2016-2021 гг. - член Совета Федерации РФ от исполнительного органа власти Тверской области. Был наделен полномочиями 23 сентября 2016 г. С 28 ноября 2016 г. занимал должность заместителя председателя комитета Совфеда по международным делам. В сентябре 2021 г. новым сенатором от правительства Тверской области стала Людмила Скаковская.
В марте 2020 г. Владимир Лукин вышел из партии "Яблоко". Это решение было принято Владимиром Лукиным в связи с голосованием 11 марта в Совфеде за закон о поправке в Конституцию РФ. Лукин отметил, что исполнительная власть Тверской области, которую он представляет в верхней палате парламента, поддержала закон и поручила ему озвучить это мнение в ходе голосования. Однако, по словам сенатора, данное решение противоречит официальной позиции партии, которая выступает против внесения изменений в конституцию.
С мая 2024 г. - почетный президент Паралимпийского комитета России.
Награжден орденами "Знак Почета" (1986), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2014, 1998), медалью "Ветеран труда" (1988). Имеет две благодарности (1997, 2003) и Почетную грамоту президента РФ (2008).
Награжден также медалью "За заслуги перед Чеченской Республикой" (2007), медалью "Спешите делать добро" уполномоченного по правам человека в РФ (2014).
Чрезвычайный и полномочный посол РФ (1992).
Почетный доктор университета им. Симона Боливара (Колумбия).
Автор и соавтор ряда книг и публикаций, в том числе "Американская ядерная угроза Азии" (1985), "Умом Россию не понять" (1993), "С тревогой и надеждой: 1994-1995" (1996), "От первого лица" (2003).
Владеет английским, французским и испанским языками.