Родился 11 августа 1934 г. в гор. Курске в семье рабочего. В детстве увлекся авиамоделизмом.
В 1959 г. с отличием окончил Харьковский авиационный институт (ХАИ, ныне Национальный аэрокосмический университет имени Н. Е. Жуковского, Харьков, Украина) по специальности "инженер-механик по самолетостроению".
В 1964-1992 гг. - доцент филиала ХАИ при Авиационном научно-техническом комплексе (АНТК) им. О. К. Антонова. В 1994-1999 гг. - профессор Ульяновского государственного технического университета, в 1995-1997 гг. - также директор авиационного филиала этого вуза.
После окончания ХАИ в 1959 г. был принят на работу инженером-конструктором в опытно-конструкторское бюро №153 (ОКБ-153, ныне АО "Антонов" в составе госконцерна "Укроборонпром", Киев, Украина). В ходе работы в ОКБ принимал участие в разработке и создании самолетов Ан-10, Ан-12, Ан-22 "Антей", Ан-24, Ан-26, Ан-28, Ан-32 и др.
В период с 1964 г. по 1971 г. руководил в ОКБ Антонова группой перспективных разработок.
В 1971 г. по личному предложению руководителя бюро Олега Антонова был утвержден ведущим конструктором проекта тяжелого военно-транспортного самолета Ан-124 "Руслан" (первый полет - 1982 г.). Виктор Толмачев участвовал в реализации этого проекта от стадии разработки до запуска в серийное производство и эксплуатацию. В 1983 г. стал заместителем Петра Балабуева - главного конструктора Ан-124 и проекта сверхтяжелого "транспортника" Ан-225 "Мрия". Последний создавался как элемент авиационной транспортной системы для советской космической программы "Энергия - Буран".
В 1985 г. Виктор Толмачев сменил Петра Балабуева на постах главного конструктора Ан-124 и Ан-225, занимал их до 1992 г. "Мрия" успешно совершила первый полет в 1988 г. Единственный построенный экземпляр использовался украинским грузовым авиаперевозчиком "Авиалинии Антонова". В 2022 г. самолет был разрушен в ходе боев в аэропорту Гостомель (Киевская область).
В 1991-2002 гг. Виктор Толмачев работал техническим директором, а в 1997-2002 гг. - председателем совета директоров российской грузовой авиакомпании "Волга - Днепр".
В 1992-1995 гг. также занимал пост главного конструктора Ульяновского авиационного промышленного комплекса (ныне филиал ПАО "Ил" - "Авиастар" в составе Объединенной авиастроительной корпорации, ОАК). Виктор Толмачев организовал модернизацию самолетов в соответствии с требованиями Международной организации гражданской авиации (ИКАО), при участии авиаконструктора была разработана гражданская модификация Ан-124-100.
В 2002-2014 гг. продолжал работу на посту технического директора группы компаний "Волга - Днепр", являлся почетным сопредседателем совета директоров этого предприятия.
Виктор Толмачев скончался 7 июня 2018 г. на 84-м году жизни. Похоронен на Берковецком кладбище Киева.
Лауреат Государственной премии Украины (1992, за разработку самолета Ан-124 "Руслан").
Автор более 100 научно-технических публикаций, изобретатель ряда авиационных устройств.
В Ульяновске в честь авиаконструктора в 2019 г. названа улица и установлен памятный знак.