Владимир Михайлович Бехтерев родился 20 января (1 февраля) 1857 года в селе Сарали, Елабужского уезда, Вятской губернии, в семье станового пристава Михаила Павловича и его жены Марии Михайловны Бехтеревых. Он был крещён в церкви Святых Петра и Павла 23 января (5 февраля). Бехтерев являлся представителем древнего вятского рода Бехтеревых.

В 1865 году его отец Михаил Павлович, дослужившийся до чина коллежского секретаря, умер от туберкулёза. Образование Владимир Бехтерев получил в Вятской гимназии (1872) и Петербургской медико-хирургической академии. По инициативе С. П. Боткина в 1877 году во время русско-турецкой войны Бехтерев, окончивший четвёртый курс, вступил в добровольческий военно-санитарный отряд и оказывал медицинскую помощь раненым на передовой. Под псевдонимом «Санитар» посылал в газету «Северный вестник» заметки с фронта.

По окончании курса ИМХА в 1878 году Бехтерев был определён во временный врачебный запас армии при клиническом военном госпитале и с этого времени посвятил себя изучению душевных и нервных болезней при клинике профессора И. П. Мержеевского. В 1879 году Бехтерев был принят в действительные члены Петербургского общества психиатров. В качестве кандидата на стажировку за границей представил в конкурсную комиссию 58 научных работ и 1 июня 1884 года решением Конференции академии был направлен в научную командировку.

За шестнадцать месяцев, проведённых за границей, В. М. Бехтерев познакомился с постановкой клинического дела по нервным и душевным болезням у профессоров К. Вестфаля и Менделя в Берлине, у Ж. М. Шарко в Париже, работал в физиологическом институте Э. Г. Дюбуа-Реймона в Берлине, лаборатории П. Э. Флексига, институте К. Ф. В. Людвига в Лейпциге, участвовал в семинаре по экспериментальной психологии профессора В. М. Вундта, побывал в лабораториях анатома и психиатра Б. А. Гуддена в Мюнхене, у знатока мозга Т. Мейнерта в Вене. После защиты докторской диссертации (4 апреля 1881) Бехтерев был утверждён приват-доцентом Петербургской медико-хирургической академии.

С сентября 1885 года Бехтерев был консультантом Казанской окружной лечебницы душевных больных, а 3 октября 1885 года назначен экстраординарным профессором Казанского университета по кафедре душевных болезней. Во время работы в Казанском университете он создал психофизиологическую лабораторию и основал Казанское общество невропатологов и психиатров (29 мая 1892), печатным органом которого стал основанный В. М. Бехтеревым журнал «Неврологический вестник» (1893—1918).

В 1893 году Бехтерев возглавил кафедру нервных и душевных болезней Медико-хирургической академии. В том же году он основал журнал «Неврологический вестник». В 1894 году Бехтерев был назначен членом медицинского совета министерства внутренних дел, а в 1895 году — членом военно-медицинского учёного совета при военном министре и тогда же членом совета Дома призрения душевнобольных императора Александра III. С 1897 года Бехтерев преподавал также в Женском медицинском институте.

В 1907 году Бехтерев основал в Санкт-Петербурге Психоневрологический институт — первый в мире научный центр по комплексному изучению человека и научной разработке психологии, психиатрии, неврологии и других «человековедческих» дисциплин. В 1908 году в Петербурге начал 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.

В. М. Бехтерев скончался 24 декабря 1927 года в Москве, где принимал участие в работе Первого Всесоюзного съезда невропатологов и психиатров. Тело учёного кремировали, а урну с прахом и мозг, зафиксированный в банке с формалином, перевезли в Петроград в Институт по изучению мозга и психической деятельности. В 1970 году урну с прахом В. М. Бехтерева торжественно захоронили на Литераторских мостках Волковского кладбища в Ленинграде.

Научный вклад В. М. Бехтерева включает в себя открытие физиологических рефлексов, которые позволяют определить состояние соответствующих рефлекторных дуг, а также патологических рефлексов, отражающих поражение пирамидных путей. Бехтеревым было описано 15 новых рефлексов и более 10 новых симптомов поражения нервной системы. Он разработал методы лечения различных заболеваний, включая «Постэнцефалитические симптомы Бехтерева», «Психотерапевтическая триада Бехтерева», «Фобические симптомы Бехтерева» и другие.

Бехтеревым была также описана «одеревенелость позвоночника с искривлением его как особая форма заболевания» («Болезнь Бехтерева», «Анкилозирующий спондилит», 1892). Он создал ряд лекарственных препаратов, включая «Микстуру Бехтерева», которая широко использовалась как успокаивающее средство. Бехтерев много лет исследовал проблемы гипноза и внушения, в том числе при алкоголизме, и разработал объективные методы изучения нервно-психического развития детей.