Родился в посёлке Незаметном (ныне — город Алдан Республики Саха) в семье рабочих прииска. В 1954 году окончил среднюю школу в Красноярске. Окончил Томский политехнический институт по специальности «Радиотехника» в 1961, работал в специальном конструкторском бюро, на заводе математических машин «Контур», в НИИ, в лаборатории бионики Сибирского физико-технического института (до 1982 года). Занимался военным применением дельфинов. В 1966 году в томской газете «Молодой ленинец» был опубликован его первый рассказ «Неудачная экспедиция». Первая фантастическая публикация писателя в центральной печати — рассказ «Билет в детство» — появилась в журнале «Вокруг света» в 1969 году, а его первая книга — «Случится же с человеком такое!..» — издана в 1972 году. С 1976 года — член Союза писателей СССР. Лауреат премии «Аэлита» 1988 года за сборник «Весна света». Жил в Томске. В начале перестройки принимал участие в движении «зелёных». Умер в Томске, от острой сердечной недостаточности.
В 2001 году имя В. Д. Колупаева было присвоено премии «Малая Урания». Премия присуждается за лучшее произведение в гуманистических традициях русской фантастики, впервые опубликованное в предыдущем году, продолжающее гуманистические традиции русской фантастики. Именем В. Д. Колупаева названа улица в пос. Апрель Томского района Томской области.
Большинство рассказов Колупаева можно отнести к редкой в советской фантастике 1960—1970-х годов лирической фэнтези (в западной фантастике в похожей манере писал, например, Р. Бредбери) или «странной городской прозы» с элементами фантастики. Творчество писателя представляет собой попытку осознания человеком своего места во Времени и Пространстве, а герои, подобно персонажам А. Грина, постоянно нацелены на чудо, на встречу с неведомым: герой рассказа «Газетный киоск» (1971) получает возможность заглянуть в собственное близкое будущее; люди будущего из рассказа «Какие смешные деревья» (1977), отправившиеся на увлекательную космическую экскурсию с детьми, для того, чтобы воочию увидеть настоящую войну далёкого прошлого. В «Самом большом доме» (1974), который ищет героиня (о нём ей рассказали родители — погибшие космонавты), таковым оказывается планета Земля; поэт, герой программного рассказа Колупаева «Зачем жил человек?» (1970), обречён на безвестность, но всё равно продолжает вдохновенно творить; а герой повести «Защита» (1977) получает возможность общаться с собственной совестью по телефону.
Реже, и, по мнению некоторых критиков, с меньшим успехом, в творчестве Колупаева встречаются более традиционные темы и мотивы «твёрдой» (естественнонаучной) фантастики. Повести «Качели Отшельника» (1972) и «Фирменный поезд „Фомич“» (1979) посвящены загадкам и парадоксам пространства-времени (в последнем произведении это описано в форме философско-нравоучительной притчи). Начавшаяся как заурядная хроника инопланетного вторжения повесть «Толстяк» над миром" (1980) превращается в сюжетно оригинальную притчу о планете, по-своему сопротивляющейся агрессии: при каждой новой попытке нападающие отбрасываются всё дальше в прошлое.
В последние годы жизни работал над трилогией «Безвременье. Времена. Вечность». В 2001 году отдельным изданием вышел первый роман трилогии — «Безвременье», написанный в соавторстве с Ю. И. Марушкиным. Вторая книга трилогии — роман-пародия «Сократ Сибирских Афин» — опубликована в 2001 году в красноярском журнале «День и ночь».
Интересуясь философскими проблемами пространства и времени, Колупаев с 1970-х годов работал над трудом «Пространство и Время. (Физический аспект)», краткое его изложение было издано малым тиражом в 1994 году в Томске под названием «Пространство и время для фантаста».
Произведения Колупаева переведены на английский, болгарский, венгерский, грузинский, китайский, корейский, монгольский, немецкий, польский, сербско-хорватский, словацкий, французский, чешский, шведский, японский языки.