Родился 19 июля 1935 года в Москве, в семье народного артиста СССР Бориса Николаевича Ливанова (1904—1972) и Евгении Казимировны Ливановой (в девичестве Правдзиц-Филипович) (1907—1978). Завсегдатаями дома Ливановых были Качалов, Пастернак, Довженко, Черкасов, Тарханов, Кончаловский. В 1954 году Василий Ливанов окончил Московскую среднюю художественную школу при Академии художеств СССР, а позднее — Театральное училище им. Щукина (1958) и Высшие режиссёрские курсы при Госкино СССР (мастерская Михаила Ромма, 1966).
Сочетание интеллигентности, душевной тонкости, романтичности, искренности чувств было определяющим в ранних экранных образах Василия Ливанова. Уникальный тембр голоса появился у Ливанова из-за того, что режиссёр Михаил Калатозов предложил озвучить зимние сцены фильма «Неотправленное письмо» прямо на улице в 40-градусный мороз. Актёры пытались перекричать сильные порывы ветра, и Ливанов сорвал голос.
В 1966—1973 годах работал на киностудии «Союзмультфильм» режиссёром-постановщиком. Озвучил около 300 мультипликационных персонажей, в том числе Карлсона, крокодила Гену и Удава в мультфильме «38 попугаев». Вместе с Юрием Энтиным и Геннадием Гладковым создал мультфильмы «Бременские музыканты» и «По следам бременских музыкантов».
Когда Игорь Масленников собрался снимать фильм о Шерлоке Холмсе и докторе Ватсоне, то сразу рассматривал Ливанова как основного кандидата на роль Холмса. Масленников до этого работал с Ливановым в фильме «Ярославна, королева Франции». За восемь лет (1979—1986) было снято четыре двухсерийных и один трёхсерийный телефильм, сразу завоевавших большую популярность в СССР. За время съёмок Ливанов подружился с исполнителем роли Ватсона Виталием Соломиным, а вот с Масленниковым к середине 1980-х годов отношения у Ливанова разладились.
В 1986 году вышел фильм «Мой любимый клоун», снятый режиссёром Юрием Кушнерёвым по мотивам одноимённой повести Василия Ливанова. Сценарий к фильму написали Никита Михалков и Александр Адабашьян.
После окончания съёмок в телесериале о Шерлоке Холмсе Ливанов, которому к тому времени было всего 50 лет, постепенно почти перестал появляться на экране, по-прежнему работая иногда в качестве актёра озвучивания. Единственной крупной работой в кино стала роль Дон Кихота в фильме 1997 года «Дон Кихот возвращается», который был поставлен самим Ливановым вместе с Олегом Григоровичем. Ливанов выступил в этом фильме также в качестве сценариста и продюсера. В 2005 году Ливанов снялся в небольшой роли профессора Стравинского в телесериале Владимира Бортко «Мастер и Маргарита». Последний раз Ливанов появился на экране в фильме 2007 года режиссёра Валерия Николаева «Медвежья охота».
В 1988 году Василию Ливанову было присвоено звание народного артиста РСФСР. В том же году Ливанов (совместно с Юлианом Семёновым) создал в Москве экспериментальный театр «Детектив», который размещался в Центральном доме офицеров МВД (ЦДО) на Лубянке. Финансирование театра осуществлялось комитетом по культуре мэрии Москвы, сам театр к 1992 году самостоятельно покрывал всего порядка 10 % от своих расходов. В середине 1992 года ЦДО расторг с театром контракт на аренду помещения. Художественный руководитель Ливанов при этом обвинялся в срыве работы театра и мероприятий ЦДО в связи с проблемами с алкоголем (актёр в это время лечился в клинике неврозов). Актёры на общем собрании приняли решения покинуть театр «Детектив» и создать на его базе центральный театр МВД.
В 1990—2000-е годы Ливанов в основном занимался литературной деятельностью, писал мемуары. Автор эссе «Наш друг — Шерлок Холмс».
В 2003 году сыграл роль старца Фура́ в телеигре «Форт Боярд». Из-за организационных разногласий с руководством программы отказался принимать участие в съёмках сезона следующего года.
15 июня 2006 года в Москве посол Великобритании Энтони Брентон вручил 70-летнему Василию Ливанову знаки ордена Британской империи; актёр стал почётным членом ордена «За службу театру и изобразительному искусству»[8]. Позднее в неофициальном комментарии для английских шерлокианцев сотрудник Церемониального секретариата Кабинета министров Алан Туоми заявил: