Василий Дмитриевич Поленов родился в многодетной, культурной дворянской семье 20 мая (1 июня) 1844 года в Петербурге.
В 1861—1863 годах Поленов учился в олонецкой гимназии.
В 1863 году, окончив гимназию, поступил, вместе с братом Алексеем, на физико-математический факультет Петербургского университета. По вечерам Поленов в качестве вольноприходящего ученика посещал Академию художеств, занимался не только в рисовальных классах: ещё слушал лекции по анатомии, строительному искусству, начертательной геометрии, истории изящных искусств. Поленов был постоянным посетителем оперного театра и концертов, увлекался музыкой Вагнера, сам пел в студенческом хоре Академии, сочинял музыкальные произведения.
Вскоре Поленов стал постоянным учеником натурного класса Академии художеств. Затем временно оставил университет, полностью погрузившись в занятия живописью. В 1867 году окончил ученический курс в Академии художеств, получив серебряные медали за рисунки и этюд. Вслед за этим участвовал в двух конкурсах на золотые медали по избранному им классу исторической живописи. С января 1868 года возобновил занятия в университете, теперь — на юридическом факультете.
Первую зарубежную поездку Поленов совершил летом 1867 года, посетив Всемирную Парижскую выставку. В экспозиции был большой раздел с произведениями народных художественных промыслов различных стран. Незабываемые впечатления от увиденного легли в основу диссертации, которую Поленов защитил в университете.
В 1869 году за картину "Иов и его друзья" Поленов получил малую золотую медаль, а в 1871 году за конкурсную работу "Христос воскрешает дочь Иаира" — большую золотую медаль.
Окончив одновременно университетский курс по юридическому факультету в 1872 году, Поленов отправился за границу.
Возвратившись в 1876 году в Россию, вскоре отправился на русско-турецкую войну, в продолжение которой состоял официальным художником при главной квартире наследника-цесаревича .
С 1870-х Поленов много работал в области театрально-декорационной живописи. В 1882-1895 годах художник преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, где в числе его учеников были И.Левитан, К.Коровин, А.Архипов и другие.
В 1877 Поленов поселился в Москве. Спустя год на VI Передвижной выставке Поленов показывает ставшую впоследствии его визитной карточкой картину "Московский дворик", написанную с натуры в арбатском переулке. После её оглушительного успеха художник становится родоначальником нового жанра — "интимного пейзажа". С 1879 года состоял членом Товарищества передвижных художественных выставок. Приобретает славу мастера эпического пейзажа, которую затем преумножит, поселившись на Оке и совершив путешествия по местам, связанным с колыбелью христианства.
В 1881-1882 отправляется в своё первое путешествие на Ближний Восток и по библейским местам.
В 1883-1884 в Италии продолжает работу над картиной "Христос и грешница", в 1887 она экспонируется на XV-ой выставке передвижников.
В 1888 пишет картину "На Тивериадском (Генисаретском) озере".
Будучи от рождения городским жителем, Поленов очень любил ширь бескрайних полей, широколиственные густые леса, спускающиеся к могучим рекам. Мечтал поселиться на лоне природы. В 1890 приобрёл небольшое имение Бёхово в Тульской губернии, на высоком берегу над Окой. В тихом месте, в сосновом бору, чуть в стороне от села на деньги, вырученные от продажи картины "Христос и грешница", построил дом по собственному оригинальному проекту, и при доме художественные мастерские. Усадьба была названа Борок. Там Поленов много и продуктивно работал, охотно приглашал к себе сельских детей, проводил для них познавательные занятия и представления, развивал художественный вкус. По замыслу Поленова, усадьба должна была стать "гнездом художников", а со временем превратиться в первый провинциальный общедоступный музей. Поленов построил народный театр для крестьян и церковь в Бёхове.
Часто бывает в усадьбе Военковых, расположенную в нынешнем Сселе Старая Ольшанка Уваровского района Тамбовской области, где пишет много картин. в 2015 году здесь установили памятный знак Василию Поленову.
В 1926 году Поленову присвоено звание народного художника Республики.
Поленов очень любил лето, а длинные июльские дни, когда берёза достигает полного листа, называл "центральными" в году. Именно в такой день, будучи в глубоко преклонном возрасте, он и ушёл из жизни.
Художник скончался 18 июля 1927 года в своей усадьбе и был похоронен на сельском кладбище в селе Бёхово на крутом берегу Оки, где он так часто любил рисовать этюды. Над его могилой, согласно завещанию, установлен олонецкий крест. В имении Имоченицы Олонецкой губернии 10-летний городской житель Вася Поленов когда-то впервые близко познакомился с природой.