Владимир Петляков родился 27 июня 1891 года в селе Самбек, Ростовская область. Мальчик вырос в семье Михаила Ивановича и Марии Евсеевны. После окончания технического училища в Таганроге продолжил образование в Москве в Императорском техническом училище, потом Московском Высшем Техническом Училище. Одновременно с учебой работал лаборантом в аэродинамической лаборатории, затем в составе конструкторской группы Андрея Туполева принимал участие в разработках глиссеров, аэросаней и самолетов.
С 1925 года в течении двенадцати лет работал в Центральном Аэрогидродинамическом институте, где занимался проектированием крыльев, проводил расчеты, возглавлял группу и замещал Туполева по сектору опытного самолетостроения.
Петляков сыграл большую роль в самолете АНТ-25 «РД», впервые поднятом в воздух 22 июня 1933 года Михаилом Громовым. Авиаконструктор разработал для него крыло-цистерну большого удлинения, а также являлся руководителем рекордных перелетов. На этом самолете летом совершены два выдающихся перелета: сначала Валерием Чкаловым, Георгием Байдуковым и Александром Беляковым через Северных полюс в США, а затем Михаилом Громовым, Андреем Юмашевым и Сергеем Данилиным через Северный полюс в США с рекордной дальностью по прямой 10 148 км и 11 500 км по ломаной.
Бригада Петлякова с лета 1934 года проектировала тяжелый четырехмоторный бомбардировщик ТБ-7, призванный заменить устаревший ТБ-3, в итоге создав уникальную для своего времени машину. Однако в октябре 1937 года по ложному обвинению арестован Андрей Туполев, а вслед за ним ближайшие сподвижники, включая и Владимира Петлякова.
Находясь в местах заключении, конструктор получил задание возглавить постройку скоростного высотного двухмоторного истребителя, оснащенного турбокомпрессорами. Однако когда самолет «100» практически был готов, Петлякову предписано срочно переделать его в пикирующий бомбардировщик. Для этой цели Владимиру Михайловичу выделили 45 дней. После выполнения и этого задания, успешных испытаний, самолет под обозначением ПЕ-2 запустили в серийное производство на двух авиазаводах, а конструктора Петлякова и его единомышленников в июле 1940 года освободили из тюрьмы.
Владимир Михайлович Петляков погиб 12 января 1942 года в авиационной катастрофе, при перелете из Казани в Москву. Специальная комиссия установила, что причиной трагедии стало подтекание бензина и пожар на борту самолета на малой высоте. К моменту удара о землю машина была в неуправляемом состоянии. Похоронили Петлякова в Казани на Арском кладбище.