В 1984 году причислен к лику святых Русской православной церкви в составе Собора сибирских святых.
Родился в Москве, в семье синодального иподиакона, а затем священника Косьмо-Дамиановской церкви Петра Шапошникова. Старший брат митрополита Новгородского и Санкт-Петрбургского Гариила (Петрова).
Поступил послушником в Александро-Невскую лавру, там принял монашеский постриг и в 1764 году рукоположен во иеромонаха и назначен игуменом псковского Спасо-Елеазарова монастыря, а 1768 году возведён в сан архимандрита Борисоглебского монастыря в Торжке.
5 октября 1768 года был хиротонисан во епископа Тобольского и Сибирского, став преемником митрополита Тобольского Павла (Конюскевича). На тобольской кафедре проявил себя как строгий аскет, щедро раздавал милостыню нищим, которых каждую субботу приглашали в архиерейский дом. Около Тобольска в 1783 году им был основан Абалакский Знаменский мужской монастырь, в котором поместили чтимую Знаменскую икону Божией Матери. 6 ноября 1792 года был возведён в сан архиепископа.
Особо заботился о Тобольской духовной семинарии, которую в 1770 году переместил из архиерейского дома в тобольский Знаменский монастырь; расширил перечень преподаваемых в ней дисциплин: в 1785 году — добавлен греческий язык, в 1788 году — татарский язык, в 1793 году — математика, физика, красноречие, география, в 1802 году — медицина. В 1800 году архиепископ открыл в семинарии класс рисования для развития иконописного дела в епархии. Такое внимание было вызвано как любовью самого святителя к живописи (известно, что он направил в дар туринскому воеводе икону Богородицы собственного письма), так и тем, что в Сибирь из Суздальской епархии поступали иконы крайне низкого качества и Варлаам ходатайствовал перед Синодом о запрете ввоза в Сибирь икон без освидетельствования их местными архиереями.
В период управления Варлаамом Тобольской епархией активно строились каменные храмы в Тюмени, Ишиме, Кургане, Томске, Барнауле, Енисейске и других городах. Активное церковное строительство было осуществлено в Тобольске в котором в 1788 году пожар уничтожил большую часть города, включая архиерейский дом, Знаменский монастырь, 14 церквей и духовная консистория.
Скончался 27 декабря 1802 года, был погребён в Златоустовском приделе тобольского Софийского собора, рядом с Иоанном (Максимовичем) Тобольским, которого Варлаам особо почитал.