Родился 8 декабря 1927 года в городе Петропавловске Северо-Казахстанской области Казахской ССР (ныне - Республика Казахстан) в семье рабочего. Детские и школьные годы прошли в Ленинграде (ныне - Санкт-Петербург). Перед началом Великой Отечественной войны окончил шесть классов. 

Когда началась война, убежал к отцу на фронт. Пробыл на фронте рядом с отцом 1,5 месяца, а затем отправился в Петропавловск, куда уехала в эвакуацию семья. Там закончил восьмилетку. После восьмилетки поступил в Воронежскую спецшколу ВВС, которую закончил в 1945 году. В том же году поступил, а в 1949 году окончил Качинское военное авиационное училище летчиков. Служил летчиком-инструктором в Качинском училище, затем командиром эскадрильи, заместителем командира авиационного полка на других должностях в авиационных частях Военно-воздушных сил СССР. 

В 1956 году закончил Военно-воздушную академию (ныне - имени Ю.А.Гагарина). Работал летчиком-инструктором. В 1963 году зачислен в отряд советских космонавтов (1963 Группа ВВС № 2). Прошел полный курс общекосмической подготовки и подготовки к полетам на кораблях типа "Восход" и "Союз". Готовился в составе экипажей к полетам на кораблях "Восход-3" и "Восход-4". В связи с закрытием программы "Восход" был переведен на подготовку к полетам на кораблях типа "Союз". Был дублером Георгия Тимофеевича Бегового во время старта космического корабля "Союз-3" 26 октября 1968 года.

Свой первый космический полет совершил с 14 по 17 января 1969 года на космическом корабле "Союз-4". Во время полета была проведена стыковка космических кораблей "Союз-4" и "Союз-5" и образована первая в мире экспериментальная космическая станция. Два члена экипажа корабля "Союз-5" Алексей Станиславович Елисеев и Евгений Васильевич Хрунов через открытый космос перешли в корабль "Союз-4" и вместе с Владимиром Александровичем Шаталовым возвратились на нем на Землю. Продолжительность полета составила 2 дня 23 часа 20 минут 47 секунд. Позывной: «Амур-1». Продолжил подготовку к новым полетам в космос. Был командиром дублирующих экипажей космических кораблей "Союз-6" и "Союз-7" во время их стартов 11 и 12 октября 1969 года. 

Свой второй полет в космос совершил с 13 по 18 октября 1969 года вместе с Алексеем Станиславовичем Елисеевым в качестве командира космического корабля "Союз-8". Официально был назван командиром группы космических кораблей "Союз-6", "Союз-7" и "Союз-8". Программа полета предусматривала сближение и стыковку космических кораблей "Союз-7" и "Союз-8". Из-за технических неисправностей в бортовых системах одного из кораблей, стыковку осуществить не удалось. Продолжительность пребывания в космосе составила 4 дня 22 часа 50 минут 49 секунд. Позывной: «Гранит-1». В дальнейшем продолжил подготовку к полетам в космос на кораблях типа "Союз" и орбитальных станциях типа "Салют" (ДОС). 

Свой третий полет в космос совершил с 23 по 25 апреля 1971 года вместе с Алексеем Станиславовичем Елисеевым и Николаем Николаевичем Рукавишниковым в качестве командира космического корабля "Союз-10". Программа полета предусматривала стыковку корабля с орбитальной станцией "Салют", переход на ее борт космонавтов и работу на станции. Стыковка корабля и станции была осуществлена 24 апреля 1971 года, однако сразу после стыковки была потеряна ориентация комплекса и было принято решение отказаться от перехода космонавтов на борт станции. Попытка расстыковки удалась только с третьей попытки, после чего космонавты стали готовиться к посадке. Полет был досрочно прекращен и космонавты 25 апреля 1971 года возвратились на Землю. Продолжительность пребывания в космосе составила 1 день 23 часа 45 минут 54 секунды. Позывной: «Гранит-1».

За 3 рейса в космос налетал 9 дней 21 час 57 минут 30 секунд. После третьего полета покинул отряд космонавтов и перешел на работу в Центр подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина. В 1971 - 1987 годах руководитель подготовки космонавтов, с 1987 года по 1991 год - начальник Центра подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина. Генерал-лейтенант авиации (1975 г.). В настоящее время в отставке.

Кандидат технических наук (1972 г.). Депутат Верховного Совета СССР 9 и 10-го созывов.

Звания и награды:

- Дважды Герой Советского Союза (22 января 1969 и 22 октября 1969);

- Летчик-космонавт СССР (1969);

- Ветеран Вооруженных Сил СССР (1984);

- Герой Труда Демократической Республики Вьетнам;

- Заслуженный мастер спорта СССР (21.10.1969);

- Почетный радист СССР (1971);

- Почетный металлург (14.07.1972);

- Почетный геодезист (1988).

Награжден двумя медалями «Золотая Звезда» Героя Советского Союза (22.01.1969, 22.10.1969), тремя орденами Ленина (22.01.1969, 30.04.1971, 15.01.1976), орденом Октябрьской Революции (27.12.1982), орденом «За службу Родине в Вооруженных Силах СССР» III степени (22.02.1989), орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (02.03.2000); медалью «За боевые заслуги» (30.12.1957), медалью «За оборону Ленинграда» (1986), медалью «За освоение целинных земель» (1969), медалью «За укрепление боевого содружества» (24.05.1982) и 17-ю юбилейными медалями. Лауреат Государственной премии СССР (1981 год), за организацию международных полетов на орбитальной станции «Салют».

Награждён также орденом «Плайя Хирон» (Куба , 1980), орденом «Солидарность» (Куба , 1983), медалью «20 годовщина Революционных вооруженных сил» (Куба), орденом «Карла Маркса» (ГДР, 1977), орденом Государственного Знамени (ВНР, 1981), медалью «Золотая Звезда Героя СРВ» и орденом Хо Ши Мина (СРВ, 1980), орденом «Полярная Звезда» (МНР, август 1983), орденом «Дружба народов» (САР) и медалью «Воинская доблесть» (САР), медалью «Братство по оружию» 3 класса (ГДР, 1978), медалью «За укрепление братства по оружию» (НРБ, 1977), медалью «25 лет народной власти» (НРБ) и медалью «100 лет освобождению Болгарии от Османского ига» (НРБ), золотой медалью «За боевое содружество» (ВНР, 20.06.1980) и знаком «Братство по оружию» (ПНР, 1977), медалью «За укрепление братства по оружию» (ЧССР, 1980), медалью «Воинская доблесть» I степени (СРР, 1980), 8-ю медалями и двумя орденами Австрии и Сирии; общественной наградой - орденом «Гордость России» (2008), медалью «Мадарский конник» I степени (Болгария, 2008).

Именем Владимира Шаталова назван кратер на Луне.

Автор книг: "Космонавты СССР" (М.: 1987, в соавторстве с М.Ф.Ребровым), "Трудные дороги космоса" (М.: 1981), "Космос - Земле" (М.: 1981, в соавторстве с А.М.Лепиховым) и других.