Сын дьячка одной из придворных кремлевских церквей Ивана Федоровича Баженова (1711—1774). Обнаружил природный талант к искусству ещё в детстве, срисовывая всякого рода здания в древней столице. Эта страсть к рисованию обратила на Баженова внимание архитектора Димитрия Ухтомского, принявшего его в свою школу. Из школы Ухтомского Баженов перешёл в Академию художеств по ходатайству И. И. Шувалова. Здесь он показал свои способности к архитектуре в такой степени, что преподаватель архитектуры С. И. Чевакинский сделал талантливого молодого человека своим помощником при постройке Никольского морского собора. В сентябре 1759 год а Баженов был направлен для развития своего таланта в Париж, став первым пенсионером Академии художеств, отправленным за границу.
Поступив в ученики к профессору Девайи, Баженов занялся изготовлением моделей архитектурных частей из дерева и пробки и выполнил несколько моделей знаменитых зданий. В Париже он сделал, со строгой пропорциональностью частей, модель Луврской галереи, а в Риме — модель Собор Святого Петра, Собора св. Петра, учился гравированию.
По возвращении в Россию, живя в Москве, Баженов участвовал в издании труда Витрувия (перевод Каржавина). Баженов был одним из лучших практиков-строителей своего времени, отличаясь столько же искусством планировки, сколько и изяществом формы проектируемых зданий, что показал при самом возвращении своем в отечество. Являлся одним из проводников т. н. французского вкуса (стиля) в русской архитектуре, ярким памятником которого является Пашков дом. Свое мастерство выказал в академической программе на степень профессора комплекса увеселительных сооружений для Екатерины. Однако ожидаемой должности не получил, взял увольнение от академической службы, и князь Орлов определил его в свое Артиллерийское ведомство главным архитектором с чином капитана.
В этой должности Баженов построил в Москве дом Пашкова, а в окрестностях столицы — дворцовый комплекс в Царицыно (дворцово-парковый ансамбль) и Петровский путевой дворец, построенный Казаковым Матвеем Фёдоровичем, — его помощником. В Московском Кремле, вместо стен, служащих оградой святынь и дворцов, Баженов проектировал сплошной ряд зданий, которым была сделана торжественная закладка, по воле Екатерины II, на самом деле, однако, и не думавшей осуществлять затею искусного зодчего. Императрице в конце Русско-турецкой войны (1768—1774) нужно было дать пищу для толков о затрате десятка миллионов на грандиозный дворец, и художнику дана тема, которая на модели идиота им разработана с большим талантом. Эффект получился надлежащий, но сооружение отложено и потом оставлено совсем. Такая же судьба постигла Царицынский ансамбль Баженова. Екатерина, летом 1785 года, приехала на три дня в древнюю столицу, посетила работы по сооружению дворца в Царицыне и, найдя его мрачным, повелела перестроить дворцы. Архитектор от осуществления проекта был отстранён.
В это же время в Москве Баженов предпринимает попытку организовать «партикулярную» (частную) академию и набирает учеников. Видимо, затея не удалась, так как, по словам Баженова, "препятствиев к моему намерению весьма есть много." До сих пор Баженову приписывается утраченный памятник Санкт-Петербурга, Старый Арсенал на Литейной улице (в XIX веке его занимал Окружной суд, сожжен в 1917 г, разобран в конце 1920-х годов), но, вероятнее всего, к нему зодчий не имеет никакого отношения. Строительство здания началось под руководством архитектора Артиллерийского ведомства В. Т. фон Дидерихштейна весной 1766 года и велось архитектором Инженерного корпуса Шпекле, Карл Иоганн. Баженов же поступил в Артиллерию в конце 1766, но вскоре уехал в Москву. Большое количество документов по этой теме сохранилось в фондах Исторического архива ВИМАИВиВС («архив Артиллерийского музея») в Санкт-Петербурге. 'Большой мост через овраг в Царицыно (дворцово-парковый ансамбль) — одна из немногих сохранившихся построек, авторство Баженова в отношении которых точно установлено. Баженов, оставшись без всяких средств к существованию, открыл художественное заведение и занялся частными постройками. Перемена в его служебной карьере и немилость Екатерины объясняется его сложным самолюбивым нравом, а так же сношениями с кружком Николаем Ивановичем Новикова, который поручил ему доложить наследнику Павлу I о выборе его московскими масонами в верховные мастера. В этих сношениях с цесаревичем Екатерина подозревала политические цели, и гнев её на Баженова обрушился раньше, чем на других, но дальше исключения из службы дело не пошло, а в 1792 году он был принят вновь на службу по адмиралтейств-коллегии и перенёс свою деятельность в Петербург.
Без всяких оснований ему приписывается Каменноостровский дворец — дворец великого князя Павла Петровича на Каменном острове и работы в Гатчинском дворце. Документально только подтверждается его участие в разработке одного из проектов Михайловского замка. Но, как установили петербургские исследователи, авторство этого грандиозного сооружения приписать только Баженову невозможно. Работы начались задолго до строительства и велись «под диктовку» Павла Петровича, саморучно набросавшего эскизы плана, сначала архитектором Малого двора Виолье, Анри Франсуа Габриэль, затем, в 1790-х годах к делу подключился В. Баженов, но окончательный проект был составлен Бренном Винченцо и он был осуществлен.
По вступлении на престол, Павел I назначил его вице-президентом Академии художеств и поручил ему приготовить собрание чертежей русских зданий для исторического исследования отечественной архитектуры и, наконец, представить объяснение по вопросу: что следовало бы сделать, чтобы сообщить надлежащий ход развитию талантов русских художников в Академии художеств. Баженов с жаром принялся выполнять милостивые поручения монарха, покровителя отечественного искусства, и многое бы, без сомнения, мог сделать, если бы смерть совершенно неожиданно не пресекла его жизнь.
Владимирская церковь в Быково
Пашков дом
Михайловский замок в Санкт-Петербурге
Дворец Нечаевых в усадьбе Полибино (Липецкая область)
Фигурный мост
Дорога к Фигурному мосту
1-й Кавалерийский корпус
3-й Кавалерийский корпус
Хлебный дом
Оперный дом
Большой мост в парке
Виноградная гроздь в арочных воротах