Доктуровский родился в семье преподавателя гимназии. После окончания гимназии поступил на физико-математический факультет Московского университета, который окончил в 1907 году. В 1908 году он поступил на службу в Переселенческое управление и в Санкт-Петербургский ботанический сад. Владимир Семёнович совершил две экспедиции по Амурской области. С 1912 года В. С. Доктуровский начал заниматься изучением болот; работая на Минской болотной станции, он установил связь между растительным покровом, водным режимом и геологическим строением болот, химическим составом торфа. В 1912—1915 годах Доктуровский работал ботаником в Полесских мелиоративных партиях, читал лекции по ботанике и естественной истории болот. С 1915 года Доктуровский заведовал ботаническим кабинетом торфяной части Отдела земельных улучшений Департамента земледелия, позднее Наркомзема. С 1918 года — в Москве: заведующий Геоботаническим отделом и геоботаническим кабинетом Научно-экспериментального торфяного института (Инсторф) (1922—1930) и преподаватель ряда вузов. Жил на Арбате, в доме № 51.
С 1930 года Доктуровский заведовал кафедрой исследования болот в Московском торфяном институте.
Доктуровский ввёл в практику метод пыльцевого анализа и изучения состава и распределения пыльцы древесных растений в торфе и других содержащих её осадках, создал первый атлас пыльцы в торфе. Часть его работ посвящена вопросам стратиграфии болот, растительности межледниковых отложений, погребенным торфяникам. За работы по изучению болот В. С. Доктуровский был удостоен в 1924 году золотой медали Русского географического общества. Доктуровский вместе с В. Н. Сукачёвым был основоположником в России метода спорово-пыльцевого анализа образцов торфа.