Владимир Петров родился в семье книгоиздателя; с детства вместе с братом и сестрой участвовал в любительских театральных представлениях на даче в Поповке. В 1915—1916 годах учился на юридическом факультете Петроградского Императорского университета и, одновременно, на драматических курсах Императорского петербургского Театрального училища у Юрия Юрьева.

Во время Первой мировой войны окончил Одесскую школу прапорщиков и служил в армии. Участник Гражданской войны.
Творческую деятельность начинал как драматический актёр, с 1917 года играл в «Лесном Зимнем театре» в Петрограде. С 1918 года — актёр и режиссёр в труппе известного театрального режиссёра Гордона Крэга в Англии. Вернулся в Россию в 1920 году.

По словам писателя Бориса Васильева, в творческой среде ходили слухи, будто в те годы Петров на самом деле воевал в Белой армии: по одной версии, он участвовал в Первом Кубанском походе, попал в плен и был освобождён по личной просьбе Константина Станиславского и Владимира Немировича-Данченко; по другой — служил начальником контрразведки у Антона Деникина и добровольно перешёл на сторону большевиков. Его также называли разведчиком в тылу армии генерала Константина Мамонтова и английским шпионом, сдавшим агентуру и за это помилованным. Ещё одна версия гласит, что в 1918 году он служил в ставке барона Врагеля, но перешёл на сторону Красных и до 1922 года служил в ВЧК.

В 1924 году учился на кинокурсах Вячеслава Висковского, с 1925 года работал на киностудии «Севзапкино» помощником режиссёров Висковского, Семёна Тимошенко, Григория Козинцева и Леонида Трауберга.

В 1928 году дебютировал как режиссёр, совместно с Николаем Береснёвым поставив детский фильм «Золотой мёд» о перевоспитании беспризорников в детской трудовой коммуне. Фильм на несколько лет опередил другую известную ленту о беспризорниках — «Путёвка в жизнь» (1931), сделав Петрова одним из первых советских детских режиссёров.

Для детей и юношества были предназначены и следующие картины «Джой и Дружок» (1928), «Адрес Ленина» (1929), «Фриц Бауэр» (1930). В его ранних картинах чувствовалось влияние немецкого экспрессионизма, что приводило к излишней мрачности и сложности восприятия.

В число ведущих советских кинорежиссёров вошёл после экранизации пьесы Александра Островского «Гроза» (1934), в которой был занят актёрский ансамбль в составе Аллы Тарасовой, Варвары Массалитиновой, Михаила Тарханова, Михаила Царёва, Михаила Жарова. На 2-м Венецианском фестивале, где фильм в числе прочих советских картин завоевал кубок выставки, был особо отмечен актёрский ансамбль «Грозы».

Известной работой режиссёра стала масштабная историческая постановка «Пётр Первый» (1937—1939) по совместному с Алексеем Толстым сценарию. Игра Николая Симонова и картина в целом отмечались среди наиболее значительных достижений раннего советского кино.

С 1943 года работал режиссёром «Мосфильма». В 1944 году поставил картину «Кутузов», в которой главную роль исполнил Алексей Дикий. В 1945 году перенёс на экран пьесу Островского «Без вины виноватые», отмеченную премией кинофестиваля в Венеции, а в 1948—1949 годах поставил фильм «Сталинградская битва».

Экранизации русской литературной классики оставались в центре творчества режиссёра и в 1950-е годы: «Ревизор» (1952), «Поединок» (1957), «Накануне» (1959). За умение подбирать актёров и работать с ними, в том числе, за творческую свободу, которую он им предоставлял, получил прозвище «актёрский режиссёр», которым гордился.

Николай Черкасов писал в мемуарах, что Петров «по методам работы близок к режиссёрским традициям Московского Художественого театра, мастеров которого он обычно привлекал к участию в своих картинах. Как режиссёр он отличался глубиной и широтой мышления, стремлением к большим масштабам, желанием решать крупные, значительные задачи и умением преодолевать всевозможные трудности во имя достижения высокого качества».
Был автором сценариев большинства своих фильмов.