Василий Борисович Ливанов родился 19 июля 1935 г. в Москве в семье Бориса Николаевича и Евгении Казимировны Ливановых. Его отец был актером и режиссером, народным артистом СССР, мать - художницей.
Окончил Московскую среднюю художественную школу при Академии художеств СССР (ныне - Московский академический художественный лицей) в 1954 г., Театральное училище (ныне - институт) им. Щукина в 1958 г. Впоследствии также окончил Высшие режиссерские курсы при Госкино СССР (мастерская Михаила Ромма; 1966).
В 1958 г. был принят в труппу театра им. Вахтангова в Москве, однако через год в связи с работой в кино покинул театр, так и не сыграв ни одной роли. В 1960-1964 гг. был актером Театра-студии киноактера (ныне - Государственный театр киноактера).
Дебютировал в кино в роли геолога Андрея в картине 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.
Ливанов снялся в более чем 40 фильмах, среди них такие картины, как "Коллеги" (1962), "Звезда пленительного счастья" (1975), "Ярославна, королева Франции" (1978). Известность не только в СССР, но и во всем мире Ливанову принесла роль сыщика Шерлока Холмса в многосерийном телефильме Игоря Масленникова. Пять частей сериала по мотивам детективных рассказов Артура Конан Дойля вышли в 1979-1986 гг. Работа Ливанова была высоко оценена в Англии: в 2006 г. актер был возведен в кавалеры Ордена Британской империи.
Кроме своих ролей в кино, актер много работал над озвучиванием мультфильмов. Его голосом разговаривали Карлсон, крокодил Гена, Дядюшка Ау, Удав (мультфильм "38 попугаев"), Громозека ("Тайна третьей планеты") и около трехсот других мультипликационных персонажей. Ливанов был режиссером и сценаристом нескольких мультфильмов ("Самый, самый, самый, самый", 1966; "Синяя птица", 1970, "Фаэтон - сын Солнца", 1972; "По следам бременских музыкантов", 1973), а также одного кинофильма - "Дон Кихот возвращается" (1997), в котором сыграл главную роль.
В 1988-1992 гг. был художественным руководителем антрепризного театра "Детектив". Работал на телевидении, в 2001 г. на телеканале ТВЦ вышел цикл передач "Московские истории Василия Ливанова".
Народный артист РСФСР (1988). Награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2005).
Автор нескольких книг воспоминаний, ряда художественных произведений (повести "Агния, дочь Агнии", "Мой любимый клоун", "Богатство военного атташе", рассказы и сказки).
Женат во второй раз. Первая жена - Алина Энгельгардт, дочь от первого брака Анастасия. Вторая супруга - Елена Ливанова, художник-мультипликатор, два сына от второго брака: Борис, Николай.