Из семьи станового пристава. Окончил Вятскую гимназию (1873) и Медико-хирургическую академию (1878). Командирован за границу для продолжения обучения (1884). С 1884 экстраординарный профессор кафедры душевных болезней в Казанском университете, с 1885 заведующий кафедрой психиатрии. Одновременно работал консультантом в созданной им первой в России Окружной психоневрологической клинике на Арском Поле, где организовал первую в мире научно-исследовательскую психофизиологическую лабораторию; добился государственного финансирования клиники. Основал Казанское общество невропатологов и психиатров, организовал наркологическую помощь населению, разработал и осуществил метод коллективной гипнотерапии.
Переехав в Санкт-Петербург, возглавил кафедру душевных и нервных болезней Санкт-Петербургской Военно-медицинской академии (заведующий в 1893—1913), с 1906 начальник академии. Одновременно преподавал в Женском медицинском институте (с 1897). Руководитель Санкт-Петербургского Психоневрологического института (1908—1913). С 1918 директор созданного им Института по изучению мозга и психической деятельности.
Член медицинского совета Министерства внутренних дел (1894), Военно-медицинского учёного совета при военном министре (1895). Учредил журнал «Неврологический вестник» (1893), организовал Общество психоневрологов и Общество нормальной и экспериментальной психологии и научной организации труда. Редактировал журналы «Обозрение психиатрии, неврологии и экспериментальной психологии», «Вопросы изучения и воспитания личности», «Вопросы изучения труда».
Основоположник отечественной экспериментальной психологии, автор большого количества трудов по различным проблемам психиатрии, невропатологии, функциям мозга.
Основные труды В. М. Бехтерева и литературу о нем см. в Научной педагогической электронной библиотеке.