Родился в семье служащего.
В Советской Армии с 1918 года. Участник Гражданской войны, командир взвода.
В 1923—41 гг. служил в погранвойсках. Окончил Военную академию имени М. В. Фрунзе (1938).
Великую Отечественную войну В. С. Поленов встретил в звании полковника. Командовал к тому времени крупным пограничным отрядом и многое сделал по разгрому диверсионных банд.
В первые месяцы войны дивизия Поленова защищала Москву. 17 декабря 1941 года советскими войсками был освобожден город Калинин. Командир 243-й дивизии генерал Поленов водрузил знамя над освобожденным городом. Корпус генерала В. С. Поленова участвовал в прорыве блокады Ленинграда. Впоследствии В. С. Поленов командовал армией, участвовал во многих крупных боевых операциях (в том числе в Оршанской операции).
Фронтовые газеты называли В. С. Поленова «генерал „Вперед“».
После войны окончил Военную академию Генерального штаба (1948), был командиром стрелкового корпуса, в 1948—57 гг. заместитель командующего войсками ряда военных округов.
С 1958 года в запасе.
Награждён 2 орденами Ленина, 5 орденами Красного Знамени, орденами Суворова 1-й и 2-й степени, Кутузова 1-й степени и другими наградами.