Родился в Иркутске. Один из трёх сыновей знаменитого путешественника и исследователя Владимира Афанасьевича Обручева, автора романов «Земля Санникова» и «Плутония», и Елизаветы Исаакиевны Лурье. С 14 лет принимал участие в экспедициях отца, а в 21 год провёл самостоятельную экспедицию, посвящённую геологической съёмке окрестностей Боржоми.
Окончил Томское реальное училище, а затем физико-математический факультет Московского университета (1915). По окончании был оставлен на кафедре для подготовки к профессорскому званию, но уже спустя два года отправился в экспедицию в район среднего течения реки Ангары. Работая в Геологическом комитете ВСНХ СССР (1917—1929), проводил геологические исследования на Среднесибирском плоскогорье в бассейне реки Енисей, выделил Тунгусский каменноугольный бассейн и дал его описание.
В 1926—1935 гг. изучал почти неизвестные районы Северо-Востока СССР — бассейны рек Индигирки и Колымы (в результате чего была установлена их золотоносность), Чукотский округ. Разработал схемы орографии, геоморфологии, тектонического и геологического строения северо-восточной Азии. В ходе Индигирской экспедиции Геолкома ВСНХ СССР (1926 г.) предложил объединить горные сооружения среднего течения Индигирки и Колымы под названием хребта Черского.
В 1929—1932 гг. работал в Якутской комиссии АН СССР, в 1932—1941 гг. — во Всесоюзном арктическом институте, в 1941—1950 гг. — в Институте геологических наук АН СССР.
В 1937—1954 изучал хребты Восточных Саян, Хамар-Дабан и Северо-Восточную Туву. Проводил также исследования по геологии и геоморфологии других районов СССР.
С 1950 года и до конца своих дней работал в Лаборатории геологии докембрия АН СССР, с 1963 года — её директор.
Автор ряда научно-популярных книг, в том числе: «В неведомых горах Якутии» (1928), «На „Персее“ по полярным морям» (1929), «Колымская землица» (1933), «На самолете в Восточной Арктике» (1934), «В неизведанные края» (1954), «По горам и тундрам Чукотки» (1957), «В сердце Азии» 1965) и др., а также литературоведческого исследования «Над тетрадями Лермонтова» (1965). Составил «Справочник путешественника и краеведа» в 2-х томах (1949—1950).
Знал и пропагандировал искусственный язык эсперанто, некоторое время был редактором журнала «La Ondo de Esperanto», с 1957 года возглавлял секцию эсперанто в Доме ученых им. Горького в Ленинграде.
Награждён орденом Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, орденом «Знак Почёта», а также медалями.