Родился 28 августа 1853 г. в гор. Грайворон Курской губернии (ныне в Белгородской области) в дворянской семье. Его отец, Григорий Петрович Шухов, был городничим, но вскоре после рождения сына был переведен по службе в Курск, а затем в Петербург.
Детство Владимир Шухов провел в имении матери в Курской губернии. В 1876 г. окончил с отличием инженерно-механическое отделение Императорского Московского технического училища (ныне Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана). Впоследствии также был вольнослушателем Императорской медико-хирургической академии в Петербурге.
После вуза Владимир Шухов был направлен в командировку на Всемирную выставку 1876 г., проходившую в Филадельфии (США). Там он познакомился с американским инженером русского происхождения Александром Бари.
В 1876-1877 гг. руководил чертежным бюро управления Варшавско-Венской железной дороги в Санкт-Петербурге.
В 1877 г. Бари переехал в Россию, где стал сотрудничать с Людвигом Нобелем, который начал развивать нефтедобычу в Баку (ныне столица Азербайджана). Для выполнения заказа на строительство трубопровода для нефти Бари пригласил в помощники Владимира Шухова. В 1878 г. по проекту Бари и Шухова в Баку был построен и запущен первый в Российской империи нефтепровод протяженностью около 11 километров.
В 1880 г. Александр Бари основал в Москве техническую (впоследствии - строительную) контору и пригласил Владимира Шухова на должность главного конструктора и главного инженера. В фирме Бари Шухов проработал до 1918 г., занимался изобретением и выпуском установок для нефтяной отрасли, в том числе цилиндрических резервуаров-хранилищ, нефтеналивных барж, проектированием водопроводов, мостов и т. д.
В 1896 г. контора Бари приняла участие во Всероссийской промышленной и художественной выставке в Нижнем Новгороде. Ее специалисты возвели восемь павильонов, на которых были впервые использованы оригинальные металлические сетчатые оболочки, запатентованные Шуховым в том же году. Одним из символов выставки стал главный павильон фирмы Бари, который имел сетчатое стальное овальное покрытие. При этом наибольший успех получила построенная по проекту Шухова гиперболоидная водонапорная башня. После выставки она была куплена промышленником и меценатом Юрием Нечаевым-Мальцевым и перевезена в его имение в Полбино (ныне в Данковском районе Липецкой области), где сохраняется до сих пор.
После нижегородской выставки Шухов и Бари получили несколько сотен заказов в России на башни аналогичной конструкции (из них сохранилось около 20), а также на изготовление стальных сетчатых перекрытий-оболочек (сохранились на металлургическом заводе в Выксе, Нижегородская обл.).
В начале 1910-х гг. Владимир Шухов спроектировал арочные светопрозрачные перекрытия для Музея изящных искусств им. Александра III (ныне Государственный музей изобразительных искусств им. А. С. Пушкина) и для дебаркадера Брянского (ныне Киевского) вокзала. Утверждения, что им же были спроектированы светопрозрачные перекрытия Верхних торговых рядов в Москве (ГУМ), были опровергнуты историками архитектуры. После смерти Александра Бари в 1913 г. Владимир Шухов фактически возглавил Строительную контору Бари. В годы Первой мировой войны Владимир Шухов был занят конструированием мин и артиллерийских платформ.
В 1919 г. Владимир Шухов принял участие в конкурсе на возведение в Москве новой радиостанции, предложив построить гиперболоидную башню из девяти секций общей высотой 350 м. Проект был принят, но в связи с нехваткой стали уменьшен в два раза.
Строительство башни в районе Шаболовки велось в 1920-1922 гг. в условиях Гражданской войны, нехватки кадров, качественных материалов и оборудования. В июне 1921 г. при установке четвертой секции башня упала и серьезно повредила уже установленные нижние секции. После этого инцидента Владимира Шухова обвинили в саботаже и приговорили к расстрелу с отсрочкой до окончания строительства.
В итоге возведение башни было закончено в феврале 1922 г. Над сооружением впоследствии был установлен флагшток, благодаря чему ее общая высота достигла 160 м. Радиовещание с Шаболовской башни началось 19 марта того же года. Обвинения с инженера после этого были сняты.
В 1920-1930-х гг. по проектам Владимира Шухова было построено еще несколько десятков гиперболоидных башен, среди которых выделялись опоры перехода через Оку линий электропередач в районе г. Дзержинска в Нижегородской области. Всего были воздвигнуты три пары опор высотой 20, 69 и 129 метров, к настоящему времени сохранилась только одна 129-метровая опора на берегу Оки.
Параллельно строительной деятельности в 1924-1927 гг. Владимир Шухов возглавлял комитет Госплана по нефтепроводам, в 1927 г. стал членом Всероссийского центрального исполнительного комитета. В 1928 г. избран членом-корреспондентом, в 1929 г. - действительным членом Академии наук СССР. В 1929-1931 гг. был главным инженером, затем консультантом проектного бюро Московского машиностроительного треста. Был занят проектированием канала им. Москвы. Также консультировал ряд других советских проектных организаций.
2 февраля 1939 г. Владимир Шухов скончался на 85-м году жизни в результате ожогов, полученных в результате несчастного случая. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1929).
Герой Труда (1932).
Лауреат премии им. В. И. Ленина (1929).
Был женат на враче Анне Мединцевой. Всего у них было пятеро детей.
Имя Владимира Шухова носят аэропорт Белгорода, Белгородский государственный технологический университет, улицы в Москве и других городах бывшего СССР.
Памятники Владимиру Шухову установлены в Москве (на Тургеневской площади), в Белгороде и Волгограде.