Родился 15 (28) июня 1912 года во Владивостоке. Отец, коренной житель Эстонии, был мобилизован в царскую армию и осел в России. Мать — дочь мельника Осташковского уезда Тверской губернии. С 1918 года жил в Москве. В 1929 году окончил среднюю школу с химическим уклоном. Начал увлекаться фотографией. Закончил курсы фотокорреспондентов при Московском Доме Печати.
В 1932 году поступил в ВГИК на операторский факультет и окончил его «с отличием», получив специальность кинооператора художественных фильмов. Работал на киностудии «Межрабпомфильм» ассистентом оператора на фильмах «Джульбарс» и «Детство Горького». С октября 1938 по октябрь 1940 года работал кинооператором на Хабаровской студии кинохроники, где снял более 200 сюжетов для киножурнала «Советский Дальний Восток». В октябре 1940 года был переведён на Горьковскую студию кинохроники, где снял более 150 сюжетов для киножурналов Горьковской и Московской студий документальных фильмов, а также участвовал в киносъёмках фильмов «Народная магистраль», «День войны» (1942), «Комсомольцы» (1943).
В июне 1943 года был направлен кинооператором на фронт. Сначала снимал боевые действия войск ПВО по охране незамерзающего Мурманского порта, затем на Мурманском направлении Карельского фронта. С июня 1944 года до окончания войны в качестве военного кинооператора был прикомандирован к 1-му Белорусскому фронту. Снятый Томбергом киноматериал вошёл в фильмы: «Бобруйский котёл», «Освобождение Советской Белоруссии», «Хелм — Люблин», «На подступах к Варшаве», «От Вислы до Одера», «Померания», «Знамя Победы над Берлином водружено», «Берлин».
С августа 1945 года — оператор «Таллинфильма». В 1948—1952 годы — заместитель министра кинематографии Эстонской ССР. За время работы в Таллине Томберг снял около 100 сюжетов для киножурналов. За участие в киносъёмках чёрно-белого фильма «Советская Эстония» (режиссёр Л. И. Степанова) Участвовал в создании кинокартины «Праздник песни» (1947). Как автор-оператор снял киноочерк «Эстонский колхоз в Грузии», за что был удостоен Сталинской премии Эстонской ССР (1948). Как режиссёр-оператор снял кино-очерк «Новая жизнь» о создании колхозов в республике и вторично получил Сталинскую премию Эстонской ССР (1949). Получил Почётную грамоту Президиума Верховного Совета Эстонской ССР от 7 мая 1947 года «За высокие творческие достижения в области кинематографии». В 1950 году к 30-летию советского кино повторно награждён Почётной грамотой Президиума Верховного Совета Эстонской ССР.
С ноября 1952 года — режиссёр «Центрнаучфильма». Создал более 60-ти кинокартин. За годы работы на «Центрнаучфильме» получил много Почётных дипломов и благодарностей за создание фильмов, десять юбилейных медалей Президиума Верховного Совета СССР.
В. Э. Томберг умер 12 апреля 2002 года.
1954 - «На просторах Казахстана»
1955 - «Рассказ о сборном железобетоне» (Почётная грамота на фестивале технических фильмов в ФРГ)
1956 - «В Политехническом музее»
1958 - «В Голодной степи»
1963 - "Из истории «Железного потока»
1964 - «Первому коммунисту» (о скульпторе Л. Е. Кербеле)
1965 - «Призвание скульптора. Манизер»
1965 - «Вадим Рындин»
1966 - «Вахтангов»
1968 - «Скульптор Янсон-Манизер»
1968 - «Дворец Съездов»
1969 - «Режиссёр читает партитуру. Борис Покровский»
1969 - «Всеволод Иванов»
1970 - «Жаров рассказывает…»
1972 - «Протазанов»
1973 - «Театр имени В.Маяковского»
1973 - «Георгий Вицин»
1975 - «Советский театр сегодня»
1976 - «Необыкновенный факультет» (об актёрском факультете ГИТИСа)
1978 - «Интурист — гостям Олимпиады-80» (главный приз на Всемирном фестивале туристских фильмов в Чехословакии)
1980 - «Основные виды русского народного танца»
1983 - «Рассказ о советской архитектуре»
1983 - «Академик Петров»
1983 - «Академик Пиотровский»
1988 - «Мятежный князь» (о Кропоткине)
Книга В. Э. Томберга «В тылу и на фронте. Воспоминания фронтового кинооператора» (М., Эйзенштейн-центр, 2003) удостоена премии Гильдии киноведов и кинокритиков России в области киноведения и кинокритики «Слон» за 2004 год в номинации «Мемуарно-биографическая литература о кино».