Владимир Николаевич Челомей родился 30 июня 1914 года в семье учителей народной школы губернского города Седльце (Siedlce) Привислинского края.
В 1937 году окончил Киевский авиационный институт, где остался работать преподавателем.
В 1941 году начал работать в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) в Москве.
С 1944 года возглавлял Объединённое конструкторское бюро 52, ставшее сегодняшним «НПО Машиностроения» (г. Реутов Московской области).
В 1952 стал профессором МГТУ им. Баумана, в 1962 году — академиком АН СССР.
С 1974 года — депутат Верховного Совета СССР.
Академик Челомей участвовал в создании ряда двигателей и ряда прочих важнейших объектов ракетной, космической и авиационной техники. Под его руководством были разработаны ракеты-носители («Протон» активно используется до сих пор), искусственные спутники Земли «Протон» и «Полёт», орбитальные станции серии «Алмаз», пилотируемый корабль ТКС и т. п.
В. Н. Челомей являлся одним из ключевых создателей советского «ядерного щита».
Основные труды по конструкции и динамике машин, теории колебаний, динамической устойчивости упругих систем, теории сервомеханизмов.
Дважды Герой Социалистического Труда (1959, 1963).
Лауреат Ленинской премии (1959) и трех Государственных премий (1967, 1974, 1982).
В Москве на Лефортовской набережной установлен памятник Челомею. В его честь названы улица в Москве, площадь и улица в Реутове. Имя Челомея носит астероид 8608, открытый Крымской обсерваторией. Учреждена медаль имени В. Н. Челомея.
В 2003 году была выпущена почтовая марка Украины, посвященная Челомею.
Именем Челомея назван самолет А-320 (бортовой номер VQ-BCN) авиакомпании "Аэрофлот"