Ровесник века, уроженец Петербурга,  Владимир Владимирович Дмитриев родился 31 июля 1900 года.

Учился живописи в школе Е.Н. Званцевой и в Государственных свободных художественных мастерских (Академия художеств) у К.С. Петрова-Водкина в Петрограде (1918-1921). В 1916-1917 годах посещал занятия Студии на Бородинской, руководимой В.Э. Мейерхольдом, у него же в 1918 году окончил Курсы мастерства сценических постановок.

Первым значительным спектаклем Дмитриева стали «Зори» Э. Верхарна, поставленные Мейерхольдом и В.М. Бебутовым в московском Театре РСФСР 1-ом (1920). Дмитриеву больше не довелось работать с Мейерхольдом, но уважение и благодарность к нему он сохранил и позже признавался: «Если бы не было Мейерхольда, вряд ли пошёл бы я в театр. Мейерхольда также люблю и сейчас» (1934).

Дальнейшая судьба художника была связана, в основном, с музыкальным театром и с МХАТом, где он выпустил 14 спектаклей, работал с К.С. Станиславским и Вл.И. Немировичем-Данченко, с 1941 по 1948 годы был главным художником театра.

В Театре имени Евгения Вахтангова В.В. Дмитриев оформил 10 спектаклей. Его первым спектаклем стал «Егор Булычов и другие» в постановке Б.Е. Захавы (1932). Также совместно с Захавой он выпустил спектакли «Достигаев и другие» (1934) и «Гроза» (1944).

В 1937 году, к 20-летию Октябрьской революции, Р.Н. Симонов поставил «Человека с ружьём». Для первого выхода вождя Дмитриев выстроил длинный коридор из самой глубины сцены, а Симонов придумал эффектную мизансцену: навстречу зрителю стремительной походкой шёл Б.В. Щукин в гриме Ленина – и зал взрывался нескончаемыми аплодисментами, настолько мощным было впечатление. С Р.Н. Симоновым Дмитриев работал на спектаклях «Я – сын трудового народа» (1938), «Дорога победы» (1946), «Накануне» (1948).

В 1940 году В.В. Дмитриев оформил постановку Н.П. Охлопкова «Фельдмаршал Кутузов» (совместно с Б.Р. Эрдманом). За несколько месяцев до начала войны – знаменитый спектакль «Перед заходом солнца» в постановке А.И. Ремизовой.

В 1945 году работал вместе с режиссёром А.П. Тутышкиным над пьесой «Последний день».

Дмитриев создавал декорации, учитывая характер режиссуры и индивидуальности актёров, органично соединял бытовые реалии с обобщённой средой. Цветом, планировкой, деталями умел создать психологическую атмосферу спектакля. Предложения Дмитриева обогащали постановочное решение спектакля, а порой и определяли его.

После войны и восстановления здания Театра Вахтангова были возобновлены: «Егор Булычов и другие» (1951), «Человек с ружьём» (1954), «Перед заходом солнца»(1954).

Работы В.В. Дмитриева в драматических и музыкальных театрах Москвы и Ленинграда свидетельствовали о новых возможностях его таланта, но тяжелая болезнь прервала жизнь художника.

Владимир Владимирович Дмитриев ушел из жизни 6 мая 1948 года.