Родился в Санкт-Петербурге в большой семье железнодорожного служащего (в семье Арсеньевых было девять своих детей и десятая приёмная сирота-родственница).
Дед, Гоппмайер Фёдор (Теодор) Иванович (1826—1866), родился в Германии, умер и погребён в Твери. Был управляющим в имении генерала Н. И. Лодыгина. Бабка, Аграфёна Филипповна (ок. 1826—1910) — дворовая девка генерала Лодыгина, из крепостных крестьян селения Алексейково; с 1856 г. стала тверской мещанкой. В их браке (бракосочетание в 1856 г.) был внебрачный сын Клавдий. Клавдий Фёдорович (11.03.1848 — 25.11.1918), родился д. Алексейково, и крещён в церкви д. Н. Самороково Восьегонского уезда, Тверской губернии; по беспечности кровного отца — Гоппмайер Ф. И. не был усыновлён, поэтому фамилия ему дана по имени крёстного отца — Арсения Тимофеевича и до конца жизни он остался Арсеньевым. Убит вооружёнными грабителями (ими оказались жители села Батурина) в ночь с 24 на 25 ноября 1918 г. на хуторе Дубовщина около села Батурина Черниговской губернии, где с 1913 г., вышедший в отставку, жил с семьёй.
В 1892 году В. К. Арсеньев поступил в Петербургское юнкерское пехотное училище. Одним из преподавателей училища был брат известного путешественника Г. Грум-Гржимайло, который смог заинтересовать Володю Арсеньева географическими исследованиями, обратив его внимание на Дальний Восток.
После окончания учёбы в 1895 году Арсеньев получил назначение в Польшу. В 1900 году по личной просьбе он был переведен во Владивосток.
C 1900 года В. К. Арсеньев является членом Общества любителей охоты, с 1903 года — действительным членом Общества изучения Амурского края.
Первые свои экспедиции (1902—1907) Арсеньев совершил в качестве военного топографа. В его задачу входило проведение маршрутной съёмки, но он попутно собирал и научные материалы о рельефе, геологии, флоре и фауне Южного Приморья и Сихотэ-Алиня, о народах, населяющих эти места. В 1906 году Арсеньев исследовал Зауссурийский край к северу от залива Святой Ольги в системе истоков реки Уссури, причём Сихотэ-Алинь был пройден 9 раз. В 1907 году работы 1906 года были продолжены (исследован бассейн реки Бикина и побережье, Сихотэ-Алинь был пройден 4 раза).
В 1908—1910 годах Арсеньев при поддержке Русского географического общества осуществляет исследования Северного Приморья: северная часть Уссурийского края от побережья Татарского залива до Амура и низовья Уссури; Сихотэ-Алинь был пройден 7 раз. В экспедициях Арсеньева этих лет принимали участие ботаники Н. А. Десулави и Н. А. Пальчевский; ботанические сборы их и Арсеньева были переданы для обработки Д. И. Литвинову и И. В. Палибину. Обобщённый материал, полученный в ходе этих экспедиций Арсеньева, — «Краткий военно-географический и военно-статистический очерк Уссурийского края», был издан в двух томах в 1911—1912 годах.
Результатом этих экспедиций явились богатые содержанием многочисленные труды, написанные литературным языком, много раз переиздававшиеся: «По Уссурийскому краю» (1921), «Дерсу Узала» (1923). Впоследствии обе книги были выпущены в одном томе под названием «В дебрях Уссурийского края» (1926) и выдержали несколько изданий. Эти книги вышли и на иностранных языках.
В 1909 году В. К. Арсеньева избрали действительным членом Императорского Русского географического общества. Рекомендации ему дали секретарь ИРГО А. А. Достоевский и действительный член этого общества ротмистр А. Н. Гудзенко.
В 1917 году Арсеньев совершил экспедицию в хребты Быгин-Быгинен и Ян-де-Янге. С 1918 по 1926 год Арсеньев ездил на Камчатку (долина реки Камчатки, в 1923 году подымался на Авачинскую сопку) и в Гижигинской уезд (1922), а в 1927 году совершил большую экспедицию по маршруту Советская Гавань — Хабаровск, описанную в книге «Сквозь тайгу» (1930).
С приходом большевиков к власти Арсеньева постоянно допрашивали чекисты. Его подозревали в шпионаже. Арсеньева оклеветал некий Липский, который для этого сначала втёрся к нему в доверие. После этого Владимир Клавдиевич даже подумывал о побеге в Китай:
Однако 7 января 1930 год он подписал договор с правлением Уссурийской железной дороги, принял на себя обязанности начальника бюро экономических изысканий новых железнодорожных магистралей и стал начальником одновременно четырёх экспедиций, направлявшихся в районы предполагаемых железнодорожных линий.
19 июля 1930 года он выехал из Владивостока в низовья Амура для инспектирования экспедиционных отрядов. (Органы государственной безопасности позже записали: «Отправился формировать шпионскую сеть».) В этой поездке Владимир Клавдиевич слегка простыл. 26 августа он вернулся домой. Его болезненное состояние не укрылось от близких, но он отмахнулся от уговоров сходить к врачу и принялся за отчёт о командировке. Ночь с 3 на 4 сентября была для него последней. Он не смог уснуть, метался в бреду, просил усадить в кресле. Врач, вызванный за два часа до смерти Владимира Клавдиевича, нашёл его состояние не внушающим опасения. 4 сентября Арсеньев умер от воспаления лёгких. Похоронен на Морском кладбище Владивостока.
Во время сталинских репрессий многие единомышленники В. К. Арсеньева были арестованы. Такая же участь постигла вдову путешественника Маргариту Николаевну Арсеньеву. Её под давлением заставили признаться в клевете. 11 февраля 1935 года открылось заседание Военного трибунала Особой Краснознамённой Дальневосточной армии, М. Н. Арсеньеву спросили о секретном докладе: «Да, мой муж действительно писал доклад о Японской агрессии на ДВК, — подтвердила она, — и передал его бывшему председателю крайисполкома Крутову. Кажется, он посылал его и в Москву. После смерти Владимира Клавдиевича уполномоченный НКИД Гейсман просил, чтобы я поискала в архивах мужа, нет ли там черновика или каких-нибудь экземпляров этого доклада. Его надо было сдать, так как он секретный».
По иронии судьбы покойного В. К. Арсеньева посчитали главой японской разведки в России. Его архивы пропали, в том числе бесценная рукопись «Страна удеге», которую он писал всю жизнь. Его подозревали в сговоре с китайцами и японцами, хотя он по заданию тех же чекистов написал книгу-исследование «Китайцы в Уссурийском крае».
Маргарита Арсеньева расстреляна 21 августа 1938.
Также изучал зверей, птиц, рыб и растения Приморья. Доказал, что нанайцы, удэгейцы, орочи — потомки древнего и исконного населения Дальнего Востока и Сибири.
В 2007 году Издательство «Краски» выпустило в свет первое полное (не сокращённое) собрание сочинений В. К. Арсеньева по текстам дореволюционных прижизненных книг автора. Все выходящие до этого труды Арсеньева были сильно сокращены советскими цензорами.