Член Болгарской Академии наук (1946), почётный доктор Пражского университета.
Из семьи священника (отец был репрессирован в 1930 и вскоре умер в ссылке в Казахстане, как и поехавшая за ним мать). В 1917 окончил Петроградский Историко-филологический «Зубовский» институт и Археологический институт. В начале своей научной деятельности (1917) — историк церковного раскола. Продолжил научную подготовку в Петроградском университете.
Получил первую известность благодаря литературоведческим публикациям (о стиле писателей-классиков и современников: А. С. Пушкина, Н. В. Гоголя, Ф. М. Достоевского, Н. С. Лескова, А. А. Ахматовой и др.; выступал также с чисто историко-литературными работами, публикациями неизданных произведений и т. п.). Свой метод определял как историко-литературный (с обязательным исследованием широкого исторического контекста изучаемого «шедевра», в том числе «малых имён», «низовой литературы»), однако считал необходимым особое исследование языка и стиля писателя. При этом он скептически относился к господствующему в 1920-е годы классово-социологическому подходу. Всю жизнь не терял интереса к литературоведению, особенно к изучению индивидуального стиля писателей (руководил составлением «Словаря языка Пушкина» в 1950-е; см. также библиографию) и к сравнительным историко-литературным исследованиям.
Виноградова и его жену Надежду Матвеевну связывали многолетние приятельские отношения с Ахматовой; Виноградов участвовал в обсуждении нескольких её пушкинистских работ.
Достаточно рано Виноградов активно выступает и как лингвист; он стал одним из последних учеников А. А. Шахматова (работа о фонеме ять в северных говорах). До 1929 работал в Петрограде, (Ленинграде), где учился у Л. В. Щербы, но затем переехал в Москву и создал собственную лингвистическую школу (т.н. виноградовскую школу русистики). Работал в МГПИ, МОПИ, Заочном педагогическом институте. В своих работах он продолжал традиции русского дореволюционного языкознания, скептически относясь к структурализму и другим влиятельным направлениям лингвистики XX века; для его работ характерно внимательное отношение к конкретному языковому материалу, прежде всего русского языка и в особенности русского языка классической художественной литературы (практически все его лингвистические работы посвящены именно русистике). Одна из самых интересных и оригинальных его работ — не вышедшая отдельным изданием при жизни «История слов» (1-е изд. 1994), посвящённая истории возникновения и развития семантики русских слов, со множеством редких примеров; в этой области до сих пор сделано не очень много. Виноградов был автором широко цитируемой книги «Русский язык. Грамматическое учение о слове» (написанной в основном в 1930-х годах и в переработанном виде опубликованной в 1947), за которую ему и была присуждена Сталинская премия. Под его редакцией была подготовлена «Грамматика русского языка» (1952—1954), первая «академическая грамматика» русского языка, созданная в советский период. Ряд положений грамматической концепции Виноградова восходит к работам Ш. Балли.
Виноградов — автор ряда заметных работ по истории русского языкознания. Свой анализ русской синтаксической традиции В. В. Виноградов изложил в книге «Из истории изучения русского синтаксиса (от Ломоносова до Потебни и Фортунатова)» (1958) и в статьях, посвященных грамматическим взглядам М. В. Ломоносова, А. Х. Востокова, А. А. Потебни, А. В. Добиаша, А. А. Шахматова, А. М. Пешковского, Л. В. Щербы, И. И. Мещанинова, М. Н. Петерсона и других ученых (Эти статьи переизданы в кн.: Виноградов В. В. Избранные труды: Исследования по русской грамматике. М., 1975). В. В. Виноградов напечатал широкий обзор работ по русскому литературному языку — «Русская наука о русском литературном языке» (1946). Посмертно вышел также сборник избранных работ В. В. Виноградова по истории русских лингвистических учений, рекомендуемый в качестве учебного пособия по одноимённому курсу и выдержавший уже 2 издания: Виноградов В. В. История русских лингвистических учений. 2-е изд., испр. и доп. М.: Высшая школа, 2005.- 559 стр.
В 1934 арестован по «делу славистов». 17 апреля 1934 сослан в Вятку, где отбывал ссылку до 1 мая 1936. Освобождён досрочно по ходатайству пушкинистов для подготовки к юбилею 1937 года. С мая 1936 Виноградов жил под «минусом» в Можайске, получив даже возможность преподавать в Москве (в конце 1938 преподавание было воспрещено). Прописку в Москве получил в марте 1939 (ранее жил в Москве у жены нелегально), на другой же день после письменного обращения к Сталину (лично Виноградов и Сталин никогда не общались).
Но после начала войны «как социально опасный элемент» выслан в Тобольск (7 августа 1941); находился в ссылке до 2 июня 1943. В 1943 с него сняли судимость.
В эти годы В. В. Виноградов преподавал в Тобольском учительском институте. В Тобольске В.В. Виноградов продолжал научные исследования в области стилистики, фразеологии и типологии произведений отечественной литературы..Сохранилось много записей по истории отдельных слов на мелких листках: эти записи делались Виноградовым в ссылке.
После возвращения из тобольской ссылки в 1944 становится деканом филологического факультета МГУ, в (1945) заведующим кафедрой русского языка МГУ. И уже в следующем году избран академиком АН СССР, не будучи даже членом-корреспондентом АН СССР. Однако для партаппарата В. В. Виноградов сохранял клеймо неблагонадёжности и поэтому подвергся проработке марристов в 1949 — начале 1950 (и как результат — лишился поста декана филфака). Тем не менее по личному распоряжению Сталина, развенчавшего марризм, Виноградов был поставлен в 1950 фактически во главе советского языкознания:
С 1958 Виноградов возглавлял Институт русского языка АН СССР, который теперь носит его имя; покинул пост директора за год до смерти.
Виноградов занимал также ряд государственных и общественных постов: был депутатом Верховного Совета РСФСР, депутат Московского городского Совета депутатов трудящихся, членом Советского комитета защиты мира.
В последние годы жизни Виноградова его идеи получали признание широкого круга лингвистов, и его школа сформировалась как крупнейшая (численно) в русистике. В то же время у некоторых филологов, как сторонников структурного метода, так и представителей традиционного языкознания (Р. И. Аванесов, С. Б. Бернштейн) сложилось негативное отношение к Виноградову как к «советскому начальнику», препятствующего свежей инициативе в науке и неспособного эффективно ею руководить. Мемуаристами и историками науки (в том числе нейтрально или положительно относящимися к Виноградову) отмечалась слабость академика к различного рода званиям и почестям. Известно, впрочем, что Виноградов не злоупотреблял своими административными полномочиями, нередко помогая находившимся у властей на недобром счету старым коллегам (например, М. М. Бахтину, с которым они никогда не были особенно близки, напротив, скорее являлись многолетними оппонентами). Следует учитывать и нежелание бывшего ссыльного идти на конфронтацию с властью, которой он был благодарен за освобождение и неожиданное возвышение. Этим некоторые объясняют согласие 70-летнего Виноградова участвовать в качестве эксперта со стороны обвинения в процессе Синявского и Даниэля и «научно» подтвердить «антисоветский» характер их произведений.