Владимир Афанасьевич Обручев родился 10 октября (28 сентября) 1863 года в родовом имении под Ржевом. Отец его был пехотным офицером, мать – дочерью немецкого пастора из Ревеля. Получил домашнее начальное образование, отец часто c семьей переезжал по службе по Польше и Владимир знал польский язык, мать владела немецким и французским языками и увлекла его книгами о путешествиях.
Мечта путешествовать, книги Жюля Верна и Фенимора Купера, в которые он был влюблён, привели к тому, что он, по окончании реального училища, переехал в Петербург, где поступил и окончил в 1886 году Горный институт. В институте за свою взрывную энергию получил прозвище «Бомба». Особое влияние на становление геолога оказал преподаватель, известный путешественник Иван Васильевич Мушкетов, лекции которого часто проходили «в полях», в окрестностях Петербурга, он же и направил Обручева после окончания обучения в экспедицию в Каракумы.
В 1887 году служил в лейб-гвардии артиллерийском полку в Петербурге, тогда же опубликовал первую научную работу «Пески и степи Закаспийской области» (серебряная медаль Русского географического общества).
В 1888 году работал начальником горной партии в Восточной Сибири, обеспечивал строительство Транссибирской железнодорожной магистрали. Считал себя преемником знаменитого сибирского геолога, геоморфолога и палеонтолога Ивана Дементьевича Черского, которого знал лично.
Работал в составе Геологического комитета (в 1894-1914 гг. находился в особняке Г. А. Боссе (4-я линия ВО, 15).
Преподавал в Томском технологическом институте, однако, из-за своего свободомыслия был отстранён от преподавания.
В 1915 году написал научно-фантастический роман «Плутония», посвящённый путешествию в недра Земли и открытию подземного мира, населённого доисторическими существами.
В 1924 году написал ещё один научно-фантастический роман «Земля Санникова», ставший классикой приключенческой литературы. Книга красочно описывает путешествие на таинственный остров – в легендарную Землю Санникова в Северном Ледовитом океане (позже было доказано, что такой земли не существует).
После Октябрьской революции получил доктора наук «honoris causa» (без защиты диссертации), стал членом-корреспондентом Российской академии наук и Китайского геологического общества, почетным членом Гамбургского географического общества, Академиком Академии наук СССР, получил множество премий, в том числе Ленинскую (1926) и Сталинские (1941, 1950).
В 1929 (1930) году Обручев был избран первым директором Геологического института АН СССР, находившегося тогда в Ленинграде. Владимир Афанасьевич приобрёл дом с участком в Татьянино (Гатчина), где жил с семьёй до 1934 (1935) года, после чего переехал в Москву.
Был дважды женат, его сыновья стали известными деятелями геологии и биологии.
Умер в возрасте 92 лет 19 июня 1956 года в Москве.
В честь Обручева названы множество космических, топографических объектов. В Петербурге в память об отце и его сыне Сергее Владимировиче Обручеве в 1967 году названа улица Обручевых (от улицы Гидротехников до проспекта Науки).
В Горном институте установлена табличка:
«Здесь, в Горном институте, с 1881 г. по 1886 г. учился Владимир Афанасьевич Обручев,
академик, Герой Социалистического Труда, знаменитый путешественник, геолог и географ»
Форт Обручев в Кронштадте получил название в 1897 году в честь однофамильца - начальника Главного штаба Н. Н. Обручева.
