В 1929 году после окончания школы поступил в Киевский автомобильный техникум; в 1932 году, закончив техникум, поступил на авиационный факультет Киевского политехнического института (в 1933 году на базе этого факультета был создан Киевский авиационный институт). 

В 1937 году Владимир на год раньше с отличием окончил Киевский авиационный институт. Дипломная работа на тему «Колебания в авиационных двигателях» была защищена блестяще и признана Ученым советом выдающейся, на уровне кандидатской диссертации. После окончания института работал в Институте математики АН УССР и учился в аспирантуре. 

В 1939 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Динамическая устойчивость элементов авиационных конструкций».

Летом 1941 года В.Н.Челомей был назначен начальником группы реактивных двигателей Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) имени Баранова, где в 1942 году им был создан первый в СССР пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, который устанавливался на ряде летательных аппаратов. 

В 1955 году В.Н.Челомею был передан механический завод в городе Реутове под Москвой, где было создано ОКБ-52 Министерства авиационной промышленности. Челомей сумел создать на предприятии сплоченный и эффективно работающий творческий коллектив, что было важным достижением, обеспечившим дальнейшие успехи. За короткое время под его руководством КБ выросло и превратилось в мощную научно-конструкторскую организацию.

 
В 1958 году В.Н.Челомей избирается членом-корреспондентом АН СССР. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 26 июня 1959 года («закрытым») за заслуги в деле создания крылатой ракеты П-5 Челомею Владимиру Николаевичу присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали «Серп и Молот». 

В 1959 году В.Н.Челомей был назначен Генеральным конструктором ОКБ-52. К этому времени вокруг ОКБ-52 создалась большая кооперация исследовательских и промышленных предприятий.

 
С конца 1950-х годов в ОКБ-52 начались поисковые работы по космической тематике. В 1959 году ОКБ-52 приступило к разработке универсальных ракет, предназначенных для доставки на орбиту Земли средств противокосмической обороны, глобальной морской разведки, а также для доставки на территорию противника ядерных зарядов. Под руководством В.Н.Челомея был разработан целый ряд проектов унифицированных ракет: УР-100, УР-200, УР-500, УР-700, от легкого до сверхтяжелого классов. УР-100 и УР-500 были приняты на вооружение, освоены в серийном производстве.

 
В 1962 году В.Н.Челомей избирается действительным членом Академии Наук СССР.

Разработка тяжелой универсальной двухступенчатой МБР УР-500 («Протон») была начата в ОКБ-52 в 1962 году. Оценивая перспективы применения УР-500, В.Н.Челомей предлагал создать для нее семейство целевых нагрузок, способных решать задачи научного, народнохозяйственного и военного характера. 

Первый пуск ракеты-носителя «Протон» состоялся 16 июля 1965 года. Тяжелый научный спутник, по имени которого и был назван носитель, был спроектирован также в филиале № 1 ОКБ-52. За время эксплуатации ракетой-носителем «Протон» во всех её модификациях выполнено более 300 пусков, в космос выведен целый ряд спутников связи и телевидения, спутников серии «Космос», межпланетные станции «Луна», «Венера», «Марс», «Вега», «Фобос», космические аппараты глобальной навигационной системы «Глонасс», основные блоки орбитальных станций «Салют» и «Мир» и модули для международной космической станции. «Протон» — единственная в стране серийная ракета, способная выводить аппараты на геостационарную орбиту. И сейчас «Протон» остается одним из самых мощных, совершенных и надежных носителей в мире.

 
В 1964 году В.Н.Челомей предложил концепцию орбитальной пилотируемой станции (ОПС) для решения различных, в первую очередь оборонных задач. Он видел в ОПС мощнейшее средство оперативной космической разведки. Предлагалось создать наблюдательный пункт с комфортными условиями существования для сменяемого экипажа из двух-трех человек, срок существования станции 1-2 года, вывод носителем УР-500К. В 1965 году ОКБ-52 было преобразовано в Центральное конструкторское бюро машиностроения Министерства общего машиностроения (ЦКБМ), в 1983 году на его основе было образовано Научно-производственное объединение машиностроения (НПО). До своих последних дней эту организацию возглавлял В.Н.Челомей.

  

Умер 8 декабря 1984 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

 
Награжден 5 орденами Ленина (16.09.1945, 26.06.1959, 29.06.1964, 28.06.1974, 29.06.1984), орденом Октябрьской революции (26.04.1971), медалями. Лауреат Ленинской премии (1959) и трех Государственных премий (1967, 1974, 1982). В 1964 году удостоен Золотой медали имени Н.Е.Жуковского за лучшую работу по теории авиации, в 1977 году — Золотой медали имени А.М.Ляпунова — высшей награды АН СССР за выдающиеся работы в области математики и механики. Действительный член Международной академии астронавтики (1974).