Родился 28 сентября 1902 г. (15 сентября 1902 г. по старому стилю) в гор. Ефремове Тульской губернии Российской империи (ныне в Тульской обл. РФ).
В 1918 г. окончил в родном городе реальное училище. В 1920 г. поступил в Московское высшее техническое училище (ныне Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана) на механический факультет. Параллельно с учебой работал педагогом в детском доме, был председателем школьного совета. С 1923 г. занимался конструкторской деятельностью на научно-опытном аэродроме Военно-воздушных сил (ВВС). В 1926 г. стал выпускником училища, защитив дипломный проект по теме "Цельнометаллический истребитель".
Доктор технических наук (1959), профессор (1947).
После окончания училища Владимир Мясищев был направлен на работу в Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ, ныне Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н. Е. Жуковского, г. Жуковский, Московская обл.) в авиационный отдел, которым руководил авиаконструктор Андрей Туполев. Первое время Мясищев числился в бригаде Владимира Петлякова, участвовал в разработке крыльев для самолетов ТБ-1, ТБ-3 и АНТ-20 "Максим Горький". В 1934 г. возглавил бригаду экспериментальных самолетов, где впоследствии руководил созданием бомбардировщика-торпедоносца АНТ-41 (Т1).
В 1936 г. Владимир Мясищев был откомандирован в США на авиастроительное производство Douglas Aircraft Company ("Дуглас эркрафт компани"), а в 1937-1938 гг. на авиазаводе №84 (г. Химки, Московская обл.) руководил подготовкой документации для запуска серийного лицензионного производства пассажирского/транспортного самолета Douglas DC-3 ("Дуглас Ди-си-три", в СССР изначально назывался ПС-84, а затем - Ли-2).
4 января 1938 г. авиаконструктор был арестован и на протяжении двух лет находился в заключении под предварительным следствием, работая при этом в бригаде крыла Петлякова в Центральном конструкторском бюро №29 (ЦКБ-29, Москва) - специальном подразделении Народного комиссариата внутренних дел СССР, где использовался труд заключенных работников авиапромышленности. Мясищев участвовал в создании пикирующего бомбардировщика Пе-2 и разработал собственный проект дальнего высотного бомбардировщика ДВБ-102 - первого отечественного самолета с герметичными кабинами, обеспечивающими нормальные условия для работы экипажа.
В 1940 г. Верховный суд СССР признал Владимира Мясищева виновным во вредительстве и контрреволюционной деятельности, приговорив его к десяти годам лишения свободы с поражением в правах на пять лет и конфискацией имущества. Однако в том же году конструктор был досрочно освобожден от отбывания наказания (реабилитирован в 1955 г.) и переведен без права выезда в г. Омск, где продолжил работу над ДВБ-102 (первый полет состоялся в 1942 г., летные испытания завершились в 1946 г., однако самолет так и не пошел в серию).
В 1943 г., после гибели авиаконструктора Владимира Петлякова, Владимир Мясищев был назначен главным конструктором и руководителем опытно-конструкторских отделов на авиазавод №22 в Казани, где серийно выпускали созданный Петляковым пикирующий бомбардировщик Пе-2 и его модификации. В начале 1944 г. Мясищев разработал дневной вариант Пе-2И. Этот бомбардировщик по скорости полета мог опережать немецкие истребители и был способен нести в полтора раза большую бомбовую нагрузку, чем базовая модификация.
В 1945 г. Владимир Мясищев стал директором и главным конструктором опытно-констукторского бюро (ОКБ) московского завода №482. Под его руководством были созданы эскизные проекты четырехмоторных дальних бомбардировщиков ДВБ-202 и ДВБ-302, дальний истребитель сопровождения (ДИС), а также началось изготовление макета бомбардировщика РБ-17 с четырьмя турбореактивными двигателями (ТРД).
В феврале 1946 г. ОКБ-482 было расформировано по экономическим соображениям. Владимир Мясищев был направлен на преподавательскую работу в Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе (ныне Московский авиационный институт - Национальный исследовательский университет, МАИ). Занимал должности заведующего кафедрой конструкций и проектирования самолетов, декана самолетостроительного факультета, в 1947 г. стал профессором МАИ.
В начале 1950-х гг. Владимир Мясищев обратился в Министерство авиационной промышленности с предложением о создании стратегического самолета с дальностью полета 11-12 тыс. км. Предложение было одобрено правительством, и 24 марта 1951 г. на производственной базе московского завода №23 в Филях было образовано ОКБ по созданию первого советского межконтинентального реактивного бомбардировщика. Главным конструктором проекта был назначен Мясищев.
Самолет, оснащенный четырьмя ТРД и получивший обозначение М-4, был спроектирован и построен всего за 22 месяца и уже в 1953 г. совершил свой первый полет. В июле 1954 г. начались работы над созданием бомбардировщика 3М (первый полет - 1956 г.), который являлся дальнейшим развитием М-4. Эти два типа самолета составляли основу стратегической авиации СССР в 1960-1970 гг.
В 1956 г. Владимир Мясищев занял пост генерального конструктора ОКБ-23. В это же время в бюро начались работы над проектом сверхзвукового стратегического ракетоносца М-50, прототип которого впервые взлетел уже через три года. Кроме того, велось проектирование сверхзвуковой межконтинентальной крылатой ракеты М-40 "Буран" класса "поверхность - поверхность".
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 12 июля 1957 г. Владимиру Мясищеву было присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали "Серп и Молот" ("за выдающиеся заслуги в создании новой авиационной техники и проявленный при этом трудовой героизм").
В октябре 1960 г. по решению правительства СССР ОКБ Мясищева было закрыто, ввиду переосмысления руководством страны перспектив развития стратегических систем оружия и смещения акцента в пользу ракетостроения. Владимир Мясищев при этом был назначен начальником ЦАГИ.
В ноябре 1966 г. он занял пост генерального конструктора Экспериментального машиностроительного завода (ныне АО "Экспериментальный машиностроительный завод им. В. М. Мясищева") в подмосковном Жуковском, где ранее находилась летно-испытательная и доводочная база ОКБ-23. В дальнейшем под его руководством был создан проект высотного дозвукового самолета М-17 "Стратосфера" для перехвата дрейфующих аэростатов (первый летный образец изготовлен в 1978 г.) и модификация этой машины - М-55 "Геофизика". Была отработана принципиальная схема воздушно-космического самолета, которая позднее легла в основу аэродинамической схемы космического корабля "Буран". Также была начата разработка тяжелого транспортного самолета 3М-Т (ВМ-Т "Атлант", первый полет в 1981 г.) для перевозки на космодром Байконур крупногабаритных элементов космической системы "Энергия - Буран".
Владимир Мясищев скончался 14 октября 1978 г. в Москве на 77-м году жизни. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
В 1958-1966 гг. избирался депутатом Верховного Совета СССР.
Генерал-майор инженерно-авиационной службы (1944).
Был награжден тремя орденами Ленина (1945, 1957, 1962), орденами Октябрьской Революции (1971), Суворова II степени (1944), Трудового Красного Знамени (1976), медалями.
Лауреат Ленинской премии (1957).
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1972).