Обручев родился в с. Клепенино на Волге, в бывшей Тверской губернии, в семье армейского офицера. Так как расположение полка, в котором служил отец, часто менялось, семья Обручевых переезжала из одного города в другой, Володя сменил несколько учебных заведений, пока, наконец, Обручевы не обосновались в Вильне (Вильнюс), где Владимир окончил реальное училище. В 1881 г. Обручев поступил в Петербургский горный институт, который окончил в 1886 г. Здесь он слушал лекции известного русского географа и геолога И. В. Мушкетова, под влиянием которого ещё в студенческие годы заинтересовался изучением азиатских пространств России, Монголии, Китая.

            Получив после окончания института звание горного инженера, Обручев принял участие в экспедиции, которая проводила геологические исследования вдоль трассы, строящейся Закаспийской железной дороги. Он изучал территорию вдоль левого берега Амударьи от Чарджоу до Керки. Пересёк Каракумы и впервые установил, что пески сюда принесены реками, а не являются морскими отложениями, как утверждалось ранее.

В сухих руслах, отмеченных цепочкой горько-соленых озёр, он разгадал древние речные долины, по которым много тысячелетий тому назад текли реки. Результаты этих наблюдений были изложены в ряде статьей и в книге «Закаспийская низменность». Изучая пески Каракумов, Обручев определил три их типа: барханные, бугристые и грядовые. Эти наблюдения оказались удивительно точными  и в основном подтвердились впоследствии исследованиями советских географов и геологов.

            Второй период его исследовательской работы начинается в 1889 г., когда Обручев был назначен геологом Иркутского горного управления, которое ведало Иркутской, Енисейской губерниями, Якутской и Забайкальской областями. Величественная природа Восточной Сибири покорила Владимира Афанасьевича, и он начинает детально изучать её. Он исследует полезные ископаемые региона, изучая геологическое строение берегов р. Лены от Качуга до устья р. Витима. Большое влияние на развитие его представлений о геологии Восточной Сибири оказали впечатления о Байкале. Он опроверг мнение известного исследователя Сибири И. Д. Черского о том, что впадина Байкала – результат продолжительного размыва и медленных складкообразных движений земной коры. «Слишком она глубокая, - писал Обручев, - слишком обширна и слишком круты и обрывисты её склоны. Такая впадина могла быть создана только дизъюнктивными движениями земной коры (перемещениями участков земной коры по разломам и трещинам.) и создана сравнительно недавно, иначе её крутые склоны были бы уже сглажены размывом, а озеро его продуктами» (Думитрашко Н. В., В. А. Обручев. М.: география, 1955. С. 13). Широко известна работа Обручева о палеозойских отложениях Верхней Лены, в которой он впервые подробно расчленил палеозойские отложения Приленского края на ярусы и свиты.

Последующими исследованиями других учёных подтвердились также выводы Обручева о древних и молодых участках долин Ленского золотоносного района, генезисе золотых россыпей и их распределении.

            Опубликованные отчёты Обручева по Прибайкалью и Ленскому району высоко оценил И. В. Мушкетов. Именно по его ходатайству В. А. Обручев получил предложение от Русского географического общества принять участие в экспедиции известного путешественника Г. Н. Потанина в Центральную Азию.

«Сбывались мои мечты, - писал Обручев, - отказаться от участия в этой экспедиции – это значило похоронить их навсегда. Я ответил немедленно согласием, хотя экспедиция резко меняла все планы будущего» (Обручев В. А. Мои путешествия по Сибири. М.; Л., 1948. С. 88). Экспедиция работала в 1892 – 1894 годах. В задачу Обручева входило ознакомление с геологией Северного Китая и восточной половины Центральной Азии.

            Во время этой экспедиции Обручев исследовал степь и пустыню Гоби, сыпучие пески Ордоса, прошёл в Северном Китае по лёссовым территориям. Он поднимался на Алашанский хребет, исследовал горные цепи Всточного и Западного Наньшаня, дважды пересёк Восточный Куньлунь, был на берегах оз. Кукунор, прошёл вдоль р. Эдзин-Гол и побывал на берегах великой китайской реки Хуанхэ. Заканчивая маршрут через горную Хамийскую пустыню, прошёл вдоль Восточного Тань-Шаня в г. Кульджу.

            По богатству собранного материала и широте охвата территории путешествие Обручева по Центральной Азии остаётся до сих пор непревзойдённым. Выполнив отдельный от дельный от основного отряда экспедиции Потанина маршрут, Обручев за два года и два месяца со своим отрядом на лошадях, мулах, верблюдах и пешком прошёл свыше 13 тыс. километров, из них почти половину по тем местам, где ещё не ступала нога европейца. Во время пути он вёл дневник с подробной  записью ежедневных географических и геологических наблюдений, маршрутную съёмку с вычерчиванием карт на протяжении 9 тыс. километров. В 838 точках произвёл инструментальное измерение высот. Было собрано несколько тысяч образцов горных пород и отпечатков ископаемых животных и растений.

            Своими исследованиями он опроверг существующую в то время гипотезу, будто пустыня Гоби в далёкую геологическую эпоху была морским дном. По найденным останкам вымерших животных и растений Обручев утвердительно доказал, что здесь была суша с богатейшим растительным и животным миром. В результате многих наблюдений он также выяснил происхождение лёсса как продукта выветривания горных пород Центральной Азии, которые в виде пыли переносились ветром в Северный Китай, образовав за миллионы лет мощные толщи. Обручев заполнил на карте Центральной Азии многие «белые пятна», определил основные черты строения рельефа Восточной и Центральной Монголии, Северного Китая и других районов, о чём до него практически ничего не было известно. В системе Наньшаня Обручев открыл несколько новых хребтов и назвал их именами И. В. Мушкетова, П. П. Семёнова и Русского географического общества. Наконец, как географ изучал культуру и быт населяющих Центральную Азию народов.

              После этой экспедиции имя Обручева как крупного учёного и путешественника получило мировую известность. Об итогах экспедиции он написал несколько научных работ («Центральная Азия, Северный Китай и Нань-шань», «Природа и жители Центральной Азии и его юго-восточной окраины» и др.), завоевавших большое признание как в России, так и за рубежом. Обручев был признан одним из наиболее выдающихся исследователей Азии. О значении проведённых исследований свидетельствует тот факт, что и в настоящее время при изучении природных ресурсов своей страны китайские геологи пользуются научными материалами Обручева. 

            В 1895 – 1894 годах Владимир Афанасьевич вновь в Сибири, где становится о главе крупных геологических исследований. В связи с постройкой Великой Сибирской железнодорожной магистрали он организует планомерные геологические исследования в южном и юго-восточном Забайкалье и изучает природу юго-западного Забайкалья. Эти исследования послужили материалом для монографии о Селенгинской Даурии. В научных трудах этого периода Обручев доказал, что Сибирь, как и европейская часть России, была в своё время покрыта ледниками, что современный рельеф азиатской части Евразии сравнительно молодой, он образовался в последнюю геологическую эпоху.

            Находясь в Сибири, Обручев принимал активное участие в деятельности Восточно-Сибирского филиала Русского географического общества, был редактором его журнала и председателем секции физической географии.

            Весной 1898 года Обручев переехал в Петербург и в течение трёх лет детально обрабатывал материалы своих предыдущих экспедиций. К этому же времени относятся несколько его поездок за границу – в Германию, Австрию, Швейцарию и Францию. Он принял участие в Географическом конгрессе, проходившем в Берлине, и в геологическом конгрессе в Париже, участвовал в геологических экскурсиях.

            В 1901 – 1912 годах Обручев работал в Томском технологическом институте, а с 1912 года – в научно-исследовательских и учебных заведениях Москвы, совмещая педагогическую деятельность с научно-исследовательской работой. В летние каникулы он выезжал исследовать бассейн р. Бодайбо, Ленские прииски, Джунгарию, степи Казахстана от Семипалатинска до границы с Китаем, берега Енисея севернее Красноярска, Алтай. Результаты этих исследований были впоследствии опубликованы в монографии «Пограничная Джунгария» и в обзорах в журнале «Платина и золото». Труды по этим золотоносным районам выдвинули Обручева как крупного специалиста по геологии золоторудных месторождений.

            В 1914 году Обручев предпринял экспедицию на Алтай. Опубликованная по материалам экспедиции работа «Алтайские этюды» положила начало новым представлениям о палеогеографии этой горной области. Исследования на Алтае позволили также собрать значительный материал, на базе которого учёный впоследствии создал новую ветвь геологии – неотектонику.

            После Великой Октябрьской социалистической революции Обручев все силы и знания отдаёт молодому социалистическому государству. В 1918 году он работает в Высшем совете народного хозяйства, по направлению которого проводит в Донбассе поиски и разведку огнеупорных глин и мергелей.

            С 1921 года Обручев – член-корреспондент, а с 1929 года – действительный член Академии наук СССР. В 1929 – 1933 годах Владимир Афанасьевич возглавлял геологический институт АН СССР, и одновременно с 1930 года он – председатель комиссии АН СССР по изучению вечной мерзлоты, преобразованной в 1939 году в Институт мерзлотоведения.

            В годы Великой Отечественной войны Обручев – академик-секретарь Отделения геолого-географических наук АН СССР, которое проводило крупные работы оборонного значения. В это же время он заканчивает свою многотомную монографию «История геологического исследования Сибири». Общий объём этой работы составил около 2700 страниц!   

            В 1947 году Обручев был избран почетным президентом Географического общества СССР. Из-под пера учёного вышло не менее 1750 печатных листов научной продукции. Академик М. А. Усов – ученик Обручева Томском технологическом институте – так оценил его титанический труд: «Редкое геологическое учреждение мира коллективно выпустило столько печатной продукции, сколько дал один Обручев» (Рябухин Г. Е. Академик Обручев. М. 1953. С. 36).

            Примечательно также то, что Владимир Афанасьевич выступал не только как автор книг и статей научного содержания. Он также широко известен как автор научно-фантастических и приключенческих романов, как очеркист и публицист. Он писал фельетоны и стихи. Первым произведением, в котором проявилось его дарование писателя, был научно-фантастический роман «Плутония». А затем им были написаны  романы «Земля Санникова», «Золотоискатели в пустыне», «Рудник убогий», повесть «В дебрях центральной Азии» и несколько интересных автобиографических книг («Мои путешествия по Сибири», «От Кяхты до Кульджи» и др.). Написанные правдиво и увлекательно, эти произведению и до сих пор популярны среди самых широких кругов читателей, особенно среди школьников и студентов. Многие студенты географических и геологических факультетов пришли к своей специальности благодаря чтению художественных произведений Обручева. А «Земля Санникова», например, вызвала интерес не только читателей, но и привлекла внимание учёных: для поисков «земли» были организованы морские и воздушные экспедиции.

            За большие научные заслуги Обручеву в 1945 году присвоено звание Героя Социалистического Труда. Он лауреат премии имени В. И. Ленина, дважды лауреат Государственной премии СССР, награждён 5 орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, многими медалями, в том числе почётными медалями АН СССР и Географического общества СССР. В 1938 году АН СССР учредила премию имени Обручева за лучшие работы по геологии Сибири. Его именем назван минерал обручевит, а также горный хребет в Тувинской АССР, гора в верховьях р. Витима, ледник на полярном Урале, подводная возвышенность в Тихом океане у берегов Камчатки, оазис в Антарктиде и другие географические объекты.

            Владимир Афанасьевич – почётный член и лауреат многочисленных зарубежных научных обществ, что свидетельствует о мировом признании результатов его научных исследований.