В.Д. Поленов родился в культурной дворянской семье. Наиболее одарёнными среди детей Поленовых оказались двое: старший сын Василий и младшая дочь Елена, ставшие впоследствии художниками. Детям были наняты педагоги по живописи из Академии художеств.
В 1856–1861 рисунку и основам живописи Василия Поленова и его сестру обучал художник и педагог П.П. Чистяков, когда он сам еще был студентом Академии художеств. С самых первых занятий преподаватель прививал ученикам навыки пристального изучения натуры. С 1863 г. В.Д. Поленов в качестве вольноприходящего ученика посещал Императорскую Академию художеств и вскоре стал постоянным учеником натурного класса. В Академии его учителями были А.Т. Марков, П.В. Басин, П.М. Шамшин, А.Е. Бейдеман, К.Б. Вениг.
В 1882–1895 художник преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, где в числе его учеников были И.И. Левитан, К.А. Коровин, И.С. Остроухов, А.Е. Архипов, А.Я. Головин.
В 1877 Поленов поселился в Москве. С 1879 года — действительный член Товарищества передвижных художественных выставок.
