Родился в селе Гнилец (Глинец) Орловской Губернии 15 мая 1885 года, где дед по материнской линии (Федор Иванович Бакхаус), агроном из Австрии, управлял имениями. Отец будущего архитектора, земский фельдшер, получил работу на строительстве Китайско-манчжурской железной дороги, поэтому семья перебралась в Томск, а затем в Харбин. С 1901 года Виноградов учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, которое окончил в 1915 году. Во время учебы работал у ряда московских зодчих (Р. И. Клейна и др.). Был известен как «староста» (распространитель билетов) Художественного театра, один из руководителей боевой дружины училища, просидевший после московских событий 1905 года около 7-ми лет в тюрьмах.
Виноградов был организатором «Первой выставки лубков» (1913), сотрудничая с художниками авангарда М. Ф. Ларионовым и Н. С. Гончаровой. С этого момента он стал собирать пряники и его коллекция составила около 2500 шт. (ныне в Государственном музее этнографии. Санкт-Петербург).
В годы первой мировой войны Виноградов работал в земском строительном отряде на линии фронта, затем был во Пскове, где фотографировал памятники древнерусской архитектуры. В 1918 году был приглашен архитектором П. П. Малиновским в Наркомат имуществ республики в качестве его заместителя, руководил там комиссией по охране памятников, перешедшей в подчинение Моссовета. Был ответственным за выполнение в Москве плана монументальной пропаганды и председателем секции ИЗО Моссовета.
Виноградов тиражировал «Окна РОСТА», будучи другом художника-инициатора их создания М. М. Черемныха (мужа сестры, вместе с которым он приехал в Москву учиться из Томска). Общался с В. В. Маяковским и др. деятелями культуры.
Как специалист по охране наследия Виноградов сотрудничал с А. В. Щусевым, принимая участие в обосновании генерального плана «Новая Москва» (в аспекте охраны наследия). Он был инициатором обследования городской застройки для выявления ценных деревянных зданий, число которых составило почти 500, и организовал выставку «Уходящая деревянная Москва» (1921), которая привлекла внимание многих зодчих-практиков, работавших в условиях дефицита материалов и невозможности применения новых технологий.
После почти полного сокращения штатов этой комиссии (1923) Виноградов создал при общественной комиссии «Старая Москва» секцию регистрации архитектурных памятников (1926), передав в нее собранные ранее материалы и списки московских зданий. В центре внимания специалистов и любителей старины теперь оказались белокаменные палаты XVII века, которых было обнаружено и обследовано более 80-ти. С 1925 года Виноградов занимался реставрацией Китайгородской стены, Сухаревой башни, Триумфальных ворот и Красных ворот, грота в Александровском саду и ограды сада, который только и сохранились из всех названных объектов.
С 1931 года Виноградов занимался реставрацией стен и башен Московского Кремля, а также Благовещенского собора, установив его первоначальные формы. В то же самое время он стал свидетелем сноса внутри Кремля монастырей и др. старинных зданий.
В середине 1930-х годов Виноградов был инициатором создания и ведущим сотрудником Музея Всесоюзной академии архитектуры, писал «паспорта» на памятники и составлял их списки. Он вел реставрацию театра Гонзаго в усадьбе Архангельское и др. работы, выявлял первоначальные формы Покровского собора (храма Василия Блаженного) на Красной площади. Перед самой войной и вплоть до эвакуации 1941 года он занимался организацией музея Московского архитектурного института, руководил студентами и аспирантами.
В годы войны Виноградов (ранее член специальной комиссии по работам в Троице-Сергиевой лавре), возглавлял ее реставрацию, начатую И. В. Трофимовым. В ходе этих работ он выявил древнейшие формы Троицкого собора и церкви Св. Духа.
С 1947 по 1957 год Виноградов создавал Государственный музей русской архитектуры при поддержке А. В. Щусева (ныне Государственный научно-исследовательский музей архитектуры имени А. В. Щусева) и был первым директором этого музея, вплоть до конца своей трудовой деятельности работал в нем как заместитель директора по научной работе. Много сил отдал реставрации здания эпохи классицизма (дома Талызина), отведенного под музей.
Наследие Виноградова представляет собой не только его историко-архитектурные исследования Китайгородской стены, Красных ворот, памятников раннемосковского зодчества, но и многочисленные коллекции (пряников, игрушек, лубка, китайских народных картинок, литографий мастеров авангарда и пр.). Важное место в его наследии занимает фотография, которой он очень увлекался с 1900-х годов. Помимо бытовых, семейных сюжетов, это выставка лубка (1913), народные костюмы (1912), проекты его соучеников из Московского училища живописи, ваяния и зодчества (1913-15). Архитектор сохранил архив комиссии по охране памятников Моссовета, включающий работы известных фотографов своего времени (1919-21). Важное место в этом собрании занимают фотографии московских деревянных домов эпохи классицизма, разобранных на дрова в 1919-21 годах. Среди фотографий Виноградова экспозиция Пролетарских музеев (1918-21); монументы и их эскизы, выполнявшиеся по ленинскому плану монументальной пропаганды и пр. Фотографии Виноградова находятся в Государственном научно-исследовательском музее архитектуры им. А. В. Щусева (архитектура Москвы), в Литературном музее («Окна РОСТА»), в музее Маяковского и др.