Родился в Москве в 1922 году в семье почтового служащего. С детства отличался твёрдым и решительным характером, а также бесстрашием. О небе он мечтал со школьной скамьи, в Красную Армию ушёл добровольцем сразу после школы в 1940 году. Там отметили его способности и направили учиться в Тамбовскую военную авиационную школу пилотов, окончив которую в 1943 году, Владимир был отправлен на фронт.
Участник Великой Отечественной войны (в штурмовой авиации, 672 ШАП, 306 ШАД, 17 ВА), Герой Советского Союза (1945). Будучи ещё молодым летчиком, провёл огромное количество боевых заданий. За годы войны совершил 140 вылетов боевого значения со штурмом вражеских войск, 50 разведывательных вылетов с фотографированием объектов противника. Им были проведены 19 боёв в воздухе с германскими пилотами. Не раз, благодаря героизму и мужеству, грамотному и стратегическому подходу к проведению операции этого молодого и серьёзного пилота во время войны были предотвращены налёты немцев на население, склады, и конечно, спасены жизни людей.
После окончания войны Владимир Серёгин остался служить в ВВС СССР. Окончил военно-воздушную академию им. Жуковского и с 1953 работал в испытательной авиации. Им была проведена огромная работа в этой области. Серёгин, являясь ведущим летчиком-испытателем МиГ-15, не раз при совершении испытательных полётов попадал в сложные ситуации, но каждый раз справлялся с поставленной задачей, по итогам полёта им всегда представлялись полные отчёты о проведённой работе. С марта 1967 года Владимир Серёгин был командиром полка, занимавшегося летной тренировкой космонавтов, при Центре подготовки космонавтов ВВС.
Погиб при катастрофе самолёта вместе с Ю. А. Гагариным (выполнял обязанности инструктора), похоронен, как и Гагарин, у Кремлёвской стены.
Именем Серёгина названа одна из улиц Москвы Москвы — улица Серёгина (бывший Пеговский переулок), расположенная рядом с Путевым дворцом и окаймляющая с северной части расположенный вокруг него Петровский парк (метро Динамо). Улицы Серёгина есть и в нескольких других городах.
Был награждён орденами Отечественной войны 1-й и 2-й степени, орденом Ленина.