Родился в семье мелкого государственного служащего в селе Сорали, Елабужского уезда, Вятской губернии предположительно 20 января 1857 (был крещён 23 января 1857). Являлся представителем древнего вятского рода Бехтеревых. Образование получил в вятской гимназии и С.-Петербургской медико-хирургической академии. По окончании курса (1878), Бехтерев посвятил себя изучению душевных и нервных болезней и для этой цели работал при клинике проф. И. П. Мережковского.

В 1879 году Бехтерев был принят в действительные члены Петербургского общества психиатров. А в 1884 г. был командирован за границу, где занимался у Дюбуа-Раймона (Берлин), Вундта (Лейпциг), Мейнерта (Вена), Шарко (Париж) и др. По защите докторской диссертации (4 апреля 1881 г.) утверждён приват-доцентом Петербургской медико-хирургической академии, а с 1885 г. состоял профессором Казанского университета и заведующим психиатрической клиникой окружной казанской лечебницы. Во время работы в Казанском университете создал психофизиологическую лабораторию и основал Казанское общество невропатологов и психиатров. В 1893 г. возглавил кафедру нервных и душевных болезней Медико-хирургической академии. В том же году основал журнал «Неврологический вестник». В 1894 году Владимир Михайлович был назначен членом медицинского совета министерства внутренних дел, а в 1895 году — членом военно-медицинского ученого совета при военном министре и тогда же членом совета дома призрения душевнобольных. С 1897 преподавал также в Женском медицинском интституте.

Организовал в Петербурге Общество психоневрологов и Общество нормальной и экспериментальной психологии и научной организации труда. Редактировал журналы «Обозрение психиатрии, неврологии и экспериментальной психологии», «Изучение и воспитание личности», «Вопросы изучения труда» и другие.

В ноябре 1900 года двухтомник Бехтерева «Проводящие пути спинного и головного мозга» был выдвинут Российской академией наук на премию имени академика К. М. Бэра. В 1900 Бехтерев был избран председателем Русского общества нормальной и патологической психологии.

После завершения работы над семью томами «Основы учения о функциях мозга» особое внимание Бехтерева как ученого стали привлекать проблемы психологии. Исходя из того, что психическая деятельность возникает в результате работы мозга, он считал возможным опираться главным образом на достижения физиологии, и, прежде всего, на учение о сочетательных (условных) рефлексах. В 1907—1910 годах Бехтерев опубликовал три тома книги «Объективная психология». Ученый утверждал, что все психические процессы сопровождаются рефлекторными двигательными и вегетативными реакциями, которые доступны наблюдению и регистрации.

Был членом редакционного комитета многотомного «Traite international de psychologie pathologique» («Интернациональный трактат по патологической психологии») (Париж, 1908—1910), для которого им написаны несколько глав. В 1908 г. в Петербурге начинает работу основанный Бехтеревым Психоневрологический институт.

В мае 1918 году Бехтерев обратился в Совнарком с ходатайством об организации Института по изучению мозга и психической деятельности. Вскоре Институт открылся, и его директором до самой смерти являлся Владимир Михайлович Бехтерев. В 1927 ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки РСФСР.

Умер внезапно 24 декабря 1927 года в Москве, спустя несколько часов после того, как отравился консервами. Существует версия, что смерть Бехтерева связана с консультацией, которую он незадолго до гибели дал Сталину. Но прямых свидетельств, что одно событие связано с другим, нет. Среди ближайших учеников В. М. Бехтерева существовала никогда, естественно, не опубликованная, своя версия смерти учителя: смерть в момент интимной близости с одной из молоденьких сотрудниц, так называемая «сладкая смерть» по терминологии французских авторов.

После своей смерти В. М. Бехтерев оставил собственную школу и сотни учеников, в том числе 70 профессоров.

Сын – Бехтерев Пётр Владимирович.

Внучка – Бехтерева Наталья Петровна.