На службе в ВМФ с 1927 года.
Окончил Военно-морское училище имени М. В. Фрунзе (1931), командирские классы учебного отряда подводного плавания имени С. М. Кирова (1932), Военно-морскую академию имени К. Е. Ворошилова (1941).
До декабря 1932 года — штурман и помощник командира подводной лодки Балтийского флота. В 1933—1939 годах — помощник командира, командир подводной лодки, командир дивизиона подводных лодок Тихоокеанского флота.
После окончания Военно-морской академии назначен начальником штаба отдельного дивизиона подводных лодок Балтийского флота. В этой должности встретил Великую Отечественную войну, участвовал в летне-осенних боевых действиях 1941 года на Балтике. В связи с прекращением походов подводных лодок в зимнее время в конце этого же года переведён в Главный морской штаб, где служил старшим командиром-оператором, затем начальником отдела оперативного управления. Особое внимание уделял внедрению опыта воюющих флотов в боевую подготовку Тихоокеанского флота и Амурской военной флотилии.
С декабря 1945 года — начальник штаба Кронштадтского морского оборонительного района. В 1947—1949 годах -начальник отдела и помощник начальника Главного управления Генерального штаба.
С октября 1949 года — начальник штаба — первый заместитель командующего 5-м ВМФ (Тихий океан, главная база флота — Владивосток), а с апреля 1953 года — первый заместитель командующего Тихоокеанским флотом.
С ноября 1954 года — командующий 8-м ВМФ (северная часть Балтийского моря), с декабря 1955 года — командующий Черноморским флотом, а с февраля 1962 года — командующий Северным флотом.
С июня 1964 года — первый заместитель Главнокомандующего и член Военного совета Военно-Морского Флота СССР. Касатонов внёс большой вклад в укрепление боевой готовности ВМФ, в испытания новых кораблей и в изучение условий действий сил флота в арктических районах. В 1966 году в качестве старшего командира участвовал в первом в истории советского ВМФ подводном кругосветном походе атомных подводных лодок, за что был удостоен звания Героя Советского Союза.
С сентября 1974 года — военный инспектор-советник Группы генеральных инспекторов МО СССР. Жил и скончался в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
Депутат Верховного Совета СССР V—IX созывов.
Сын — Касатонов, Игорь Владимирович — адмирал.
Использованы материалы Советской военной энциклопедии в 8-ми томах, том 4.