Родился в семье Александра Павловича Сухомлинова и Ольги Ивановны Лунской. Младший брат — Николай Сухомлинов — был оренбургским губернатором.
В 1861 году поступил в Александровский кадетский корпус в Вильно. Летом 1863 года, в связи с реформой военного образования и начавшимся польским восстанием корпус был расформирован, а Владимир Сухомлинов был переведён в Петербург в 1-ю военную гимназию. После окончания гимназии был зачислен юнкером во 2-е военное Константиновское училище, но уже через несколько дней переведён в Николаевское кавалерийское училище, которое окончил в 1867 году.
Выпущен в лейб-гвардии Уланский Его Величества полк, расквартированный в Варшаве. В 1871 году успешно сдал экзамены и был зачислен в Академию Генерального штаба. После трёхлетнего обучения окончил академию по первому разряду и был произведен в штабс-ротмистры.
С 25 октября 1874 — старший адъютант 1-й гвардейской кавалерийской дивизии. С 19 марта 1877 — обер-офицер для особых поручений при штабе 1-го армейского корпуса, командовал эскадроном лейб-гвардии Кирасирского Его Величества полка.
Участник русско-турецкой войны 1877—1878 годов. Первоначально занимался организацией гражданского управления в Тырново, затем был направлен к командующему 14-й пехотной дивизией М. Ф. Петрушевскому. С 15 сентября 1877 года состоял в распоряжении главнокомандующего действующей армией великого князя Николая Николаевича (Старшего). Сделал ряд рекогносцировок турецких укреплений под Плевной. С 12 октября 1877 по 5 января 1878 состоял в Ловче-Сельвинском и Троянском отрядах П. П. Карцова.
За боевые отличия в войне награжден в 1878 орденом Святого Георгия 4-й степени и золотым оружием. После заключения перемирия посетил Константинополь, где заразился чёрной оспой и 15 апреля 1878 года на санитарном пароходе «Буг» был эвакуирован в Россию.
После окончания русско-турецкой войны Сухомлинов был 6 мая 1878 года назначен правителем дел Николаевской академии Генерального штаба. В этой должности он являлся ближайшим сотрудником начальника академии генерала М. И. Драгомирова. Руководил практическими занятиями по тактике и занятиями дополнительного (3-го) курса. Одновременно Сухомлинов читал лекции по тактике в Николаевском кавалерийском училище и Пажеском корпусе. Также ему было поручено преподавание тактики и военной истории великим князьям Петру Николаевичу и Сергею Михайловичу. За время преподавания в академии Сухомлиновым был написан ряд учебных пособий по тактике.
С 25 ноября 1884 — командир Павлоградского лейб-драгунского полка, расквартированного в Сувалках.
С 10 января 1886 года — начальник офицерской кавалерийской школы. Находясь в течение почти 12 лет во главе школы, Сухомлинов положительно повлиял на развитие и усовершенствование техники кавалерийского дела в русской армии. За время руководства школой Сухомлиновым был написан ряд учебных пособий и рассказов, а также историческое исследование о Мюрате. Кроме того, в разное время он сотрудничал с журналами «Разведчик», «Военный сборник» и газетой «Русский инвалид».
С 16 апреля 1910 — начальник 10-й кавалерийской дивизии, входившей в состав войск Киевского военного округа. Штаб дивизии располагался в Харькове, в её состав входили Новгородский драгунский, Одесский уланский, Ингерманландский гусарский и Оренбургский казачий полк.
Способствовал учреждению в Сумах кадетского корпуса.
С 25 мая 1899 года Сухомлинов — начальник штаба Киевского военного округа. В штабе округа в это время работали генералы Рузский — генерал-квартирмейстер, Маврин — дежурный генерал, Благовещенский — начальник управления сообщений. Во время Курских манёвров 1902 года Сухомлинов был начальником штаба «Южной армии» из войск Киевского военного округа, возглавлявшейся военным министром Куропаткиным.
С 12 октября 1902 Сухомлинов — помощник командующего Киевского военного округа М. И. Драгомирова. С началом русско-японской войны Куропаткин предложил Сухомлинову занять пост его начальника штаба, но Сухомлинов отказался, так как не был знаком с дальневосточным театром военных действий и сибирскими войсками. После выхода Драгомирова в отставку Сухомлинов был 23 октября 1904 года назначен командующим войсками Киевского военного округа.
После произошедших в Киеве беспорядков, 19 октября 1905 года Сухомлинов был назначен на пост Киевского, Подольского и Волынского генерал-губернатора. Генерал-губернаторство пришлось на трудное время революции 1905—1907 года. Несколько раз он становился целью террористов.
С основания Киевского отдела монархической организации «Русское собрание» был его председателем. В связи с назначением киевским генерал-губернатором был вынужден отойти от дел и был замещён В. К. Абазой.
После смерти своей второй жены, Сухомлинов женился на Екатерине Викторовне Бутович (урождённой Гошкевич). Этому предшествовал скандальный бракоразводный процесс между Екатериной Викторовной и её первым мужем В. Н. Бутовичем.
2 декабря 1908 года Сухомлинов был назначен царём начальником Генерального штаба. Принимая должность начальника ГУГШ он настоял на своём подчинении военному министру, считая необходимым единоначалие. В качестве начальника Генерального штаба Сухомлинову пришлось заниматься составлением новых мобилизационных планов. Член Совета государственной обороны (1908—1909).
11 марта 1909 года Сухомлинов занял пост военного министра. Новый министр был сторонником развития и использования новых видов техники. В его министерство были созданы автомобильные части, создан Императорский военно-воздушный флот. В полках были созданы пулемётные команды, а в корпусах — авиаотряды. При Сухомлинове были расформированы резервные и крепостные войска, за счет чего были усилены полевые войска (число армейских корпусов выросло с 31 до 37). В 1911 году была создана военная контрразведка. Сухомлинов утвердил «Положение о контрразведывательных органах» и «Инструкцию начальникам контрразведывательных органов».
Должность помощника военного министра при Сухомлинове занимал генерал Поливанов, заменённый в 1912 году на генерала Вернандера. На должность начальника главного интендантского управления был приглашён генерал Д. С. Шуваев, существенно улучшивший снабжение армии всеми видами довольствия.
Во время министерства Сухомлинов много ездил по стране, проверяя проведение пробных мобилизационных упражнений в разных частях.
6 декабря 1911 года Сухомлинов был введен в Государственный совет.
В Совете министров у Сухомлинова сложились натянутые отношения с министром финансов В. Коковцовым, который стремился сократить военные расходы.
В связи с балканской войной все более вызывающим в отношении России становилось поведение Австро-Венгрии и в связи с этим в ноябре 1912 г. на совещании у императора рассматривался вопрос о мобилизации войск трех российских военных округов. Сухомлинов выступал за эту меру, но В. Коковцову, ставшему к тому времени премьер-министром, удалось убедить имератора не принимать такого решения, угрожавшего втягиванием России в войну. Сухомлинов же сказал: "Все равно войны нам не миновать, и нам выгоднее начать ее раньше... Государь и я, мы верим в Армию и знаем, что из войны произойдет только одно хорошее для нас.
В обстановке войны, когда к весне 1915 обнаружился большой недостаток снарядов и другого военного снаряжения, Сухомлинова стали считать главным виновником плохого снабжения русской армии. 13 июня 1915 года под давлением общественного мнения Сухомлинов был уволен царём от должности военного министра. Вскоре было начато расследование его деятельности на посту министра, чему сильно повредила вскрывшаяся история с бывшийм внештатным агентом Московской полиции Николаем Соловьёвым, не чистым на руку дельцом и фальшивомонетчиком, который втерся в доверие к жене Сухомлинова и через нее добился протекции министра, и даже работы в контрразведке. 8 марта 1916 Сухомлинов был уволен с военной службы. 29 апреля 1916 года он был арестован и находился в заключении в Трубецком бастионе Петропавловской крепости, пока продолжалось следствие. 11 октября 1916 года Сухомлинов был переведен под домашний арест и у него появилась возможность публичного оправдания. Со стороны императора и других сановников предпринимались попытки свернуть дело Сухомлинова, но министры юстиции А. А. Хвостов и А. А. Макаров не допустили этого, угрожая отставкой.
Из газеты Известия Петроградского совета рабочих и солдатских депутатов.9 марта 1917 года
Из воспоминаний Сухомлинова
Из газеты Известия Петроградского совета рабочих и солдатских депутатов.9 марта 1917 года
В качестве соучастницы была привлечена также жена Сухомлинова. Суд проходил с 10 августа по 12 сентября 1917. Председателем суда был сенатор Н. Н. Таганцев, обвинителем В. П. Носович, защитником М. Г. Казаринов. Сухомлинову были предъявлены обвинения в измене, в бездействии власти и во взяточничестве. Большинство обвинений не подтвердилось, однако Сухомлинов был признан виновным в «недостаточной подготовке армии к войне» и 20 сентября 1917 приговорён к бессрочной каторге и лишению всех прав состояния. Жена Сухомлинова была оправдана Каторга была заменена на тюремное заключение и Сухомлинов был заключен в Трубецкой бастион Петропавловской крепости. После Октябрьской революции переведен в тюрьму «Кресты». По амнистии, как достигший 70-летнего возраста, 1 мая 1918 освобожден и выехал в Финляндию, а оттуда в Германию.В эмиграции написал воспоминания.
1908—1917 — доходный дом Е. А. Брюн — Офицерская улица, 55.
Военный министр генерал А. Ф. Редигер:
Генерал А. А. Брусилов:
Посол Франции в России Палеолог, Жорж Морис:
Протопресвитер о. Георгий Шавельский: