Родился в дворянской семье польского происхождения, Могилевской губернии; сын землемера.
В 1884-1889 годах студент Московского землемерного института; за организацию выступления студентов исключен и сослан под надсмотр полиции в Курск. Там окончил землемерное училище.
Вернулся в 1892 году в Москву, вошел в «Московский рабочий союз». Настроил печать на гектографе и распространение нелегальной литературы.
С 1895 года участвовал в работе социал-демократического кружка, позже вошедшего в «Московский рабочий союз». В 1896 году эмигрировал в Швейцарию, организовывал пересылку в Россию революционной литературы и полиграфического оборудования. После знакомства с В. И. Ульяновым (Лениным) стал активным сотрудником «Искры».
Занимался изучением жизни и верований разнообразных сектантов, в том числе на предмет возможности рассылать сектантам «Искру». В 1909 г. опубликовал собранные им в Канаде псалмы духоборов («Животная книга духоборцев»).
В 1903—1905 годах был заведующим экспедицией ЦК РСДРП (Женева), один из создателей архива ЦК. В 1905 вернулся в Россию, работал в газете «Новая жизнь». В 1905 участвовал в подготовке вооружённого восстания в Санкт-Петербурге, организовывал подпольные склады с оружием.
В 1906—1907 гг. секретарь и член редколлегии журнала «Наша мысль». В 1908—1918 гг. руководил большевистским издательством «Жизнь и знание». С 1912 года член редколлегии газеты «Правда». Неоднократно арестовывался, но серьёзным преследованиям не подвергался. В 1917 член исполкома Петроградского совета, временный редактор газеты «Рабочий и солдат» (одно из названий «Правды»).
В 1917 возглавлял комендатуру района Смольный — Таврический дворец. Был управляющим делами Совета Народных Комиссаров до октября 1920.
Одновременно в декабре 1917 — марте 1918 был председателем Комитета по борьбе с погромами, а в феврале — марте 1918 — членом Комитета революционной обороны Петрограда. С марта 1918 — заместитель председателя Совета врачебных коллегий. В 1919 году — председатель Комитета по сооружению санитарно-пропускных пунктов на московских вокзалах и Особого комитета по восстановлению водопровода и канализации Москвы. В 1918—1919 гг. — руководитель издательства ЦК РКП(б) «Коммунист».
В 1918 избран действительным членом Социалистической академии общественных наук, в 1918—1920 гг. издал ряд книг: «Кровавый навет на христиан», «Волнения в войсках и военные тюрьмы» и др.
После смерти Ленина переходит к научной работе. Автор сочинений по истории революционного движения в России, истории религии и атеизма, сектантству, этнографии и литературе. В 1920—1929 был организатором и руководителем опытного совхоза «Лесные Поляны» под Москвой, продукция которого прежде всего направлялась руководителям партии и правительства.
С 1933 года Бонч-Бруевич — директор Государственного литературного музея в Москве. В 1945—1955 гг. директор Музея истории религии и атеизма АН СССР в Ленинграде.
Владимир Дмитриевич Бонч-Бруевич скончался 14 июля 1955 года. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
В. Д. Бонч-Бруевич был женат на Вере Величкиной (1868—1918), после её безвременной кончины — на Анне Тинкер (1886—1956), которая в первом браке была за Соломоном Черномордиком (1880—1943), основателем и первым директором Музея Революции. Его дочь Вера, супруга литератора и публициста Л. Л. Авербаха, расстрелянного в 1937, была вслед за мужем осуждена в годы ежовщины.