Родился в семье мелкого государственного служащего в селе Сорали, Елабужского уезда, Вятской губернии предположительно 1 февраля 1857 (был крещён 3 февраля 1857 г.). 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. Мержеевского.
В 1879 году Бехтерев был принят в действительные члены Петербургского общества психиатров. А в 1884 г. был командирован за границу, где занимался у Дюбуа-Реймона (Берлин), Вундта (Лейпциг), Мейнерта (Вена), Шарко (Париж) и др. По защите докторской диссертации (4 апреля 1881) утверждён приват-доцентом Петербургской медико-хирургической академии, а с 1885 года 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 году 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 года преподавал также в Женском медицинском институте.
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 том же году Владимир Михайлович 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 «Интернациональный трактат по патологической психологии» (Париж, 1908—1910), для которого им написаны несколько глав. В 1908 году в Петербурге начинает работу основанный Бехтеревым Психоневрологический институт. В нём были открыты педагогический, юридический и медицинский факультеты. В 1916 году эти факультеты были преобразованы в частный Петроградский университет при Психоневрологическом институте. Сам Бехтерев принимал активное участие в работе института и университета, возглавлял хозяйственный комитет последнего. В мае 1918 года 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 году ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки РСФСР.
В возрасте около 70 лет женился вторым браком на молоденькой племяннице Ягоды Берте Яковлевне. Умер внезапно 24 декабря 1927 года в Москве. После своей смерти В. М. Бехтерев оставил собственную школу и сотни учеников, в том числе 70 профессоров.
