Владимир Михайлович Петляков родился 27 июня 1891 года в семье Михаила Ивановича Петлякова и Марии Евсеевны Письменской, в селе Самбек, в 7 км от Таганрога, где молодые родители были на отдыхе. Всего в семье было пятеро детей, Володя был вторым ребёнком и первым сыном. Отец был родом из Павловского района Воронежской области, мать — из Таганрога. Проживала семья в Москве, в районе Солянки. Когда Володе было пять лет, скоропостижно скончался его отец, и мать Мария Евсеевна с пятью детьми была вынуждена вернуться к родителям в Таганрог.
Несмотря на тяжёлое материальное положение, Мария Евсеевна стремилась дать всем своим детям образование. В 1899 году поступил во Второе приходское училище им. Гоголя, в 1902 году стал учеником Таганрогского среднего технического училища — первого на юге России.
По окончании Технического училища в 1910 году Петляков отправляется в Москву, где после посещения Политехнического музея решает поступать в Императорское Московское техническое училище (ИМТУ). Первая попытка не удалась, и Петляков возвращается в Таганрог, где поступает на работу техником-механиком по ремонту паровозов и вагонов, а в свободное время занимается самообразованием, в основном математикой и физикой.
В 1911 году, со второй попытки, Петляков поступает на механический факультет ИМТУ. На правах вольнослушателя он посещает лекции Н.Е. Жуковского по аэродинамике. Однако на втором курсе ему приходится вернуться домой, чтобы помочь семье.
В течение почти 10 лет, до продолжения учёбы, Петляков работает на Макеевской рудничной спасательной станции в Донбассе , в мастерской архитектора Беликовского в Москве, на Брянском механическом заводе по вытачиванию корпусов трехдюймовых снарядов.
В июне 1921 года вышел декрет Совета Народных Комиссаров о возвращении студентов на учёбу в высшие учебные заведения, и Петляков продолжил обучение в МВТУ, став работать при этом лаборантом в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). В 1922 году Петляков защищает на «отлично» дипломный проект «Лёгкий одноместный спортивный самолёт» и получает диплом инженера-механика.
После окончания МВТУ Петляков переводится в ЦАГИ на должность инженера-конструктора. Здесь он участвует в первых проектах это института: постройке глиссера АНТ-1, постройке и испытаниях аэросаней, планёров, постройке дирижабля и других проектах.
Начиная со второго самолёта серии АНТ-2 — первого полностью металлического самолёта, Петляков отвечает за все крылья самолётов А.Н. Туполева . Одним из изобретений В. М. Петлякова, совместно с его помощником В.Н. Беляевым, стал метод расчёта многолонжеронного цельнометаллического свободнонесущего крыла с гофрированной обшивкой, получивший название «метод Петлякова».
В 1928 году В. М. Петляков официально возглавил бригаду тяжёлых самолётов. Вторым тяжёлым бомбардировщиком стал АНТ-6 (ТБ-3), впервые поднятый в воздух М.М. Громовым 22 декабря 1930 года. Для усиления прочности бензобаков этого огромного самолёта (размах крыльев — 40 м, четыре двигателя) Петляков предложил делать баки клёпаными из листового дюралюминия с прокладками из ватмана, покрытого толстыми слоями шеллака. Подобная конструкция использовалась на советских самолётах ещё в течение 20 лет.
В.М. Петляков сыграл большую роль создании самолёта АНТ-25 «РД» [Рекорд дальности], впервые поднятом в воздух 22 июня 1933 года М.М. Громовым: он разработал для него крыло-цистерну большого удлинения, а также руководил его перелётами. На этом самолёте летом 1937 года были совершены два выдающихся перелёта: сначала В. Чкаловым, Г. Байдуковым, А. Беляковым — через Северных полюс в США, а затем М. Громовым, А. Юмашевым и С. Данилиным — через Северный полюс в США, с рекордной дальностью: по прямой — 10 148 км и 11 500 км — по ломаной.
В 1938 году В.М. Петляков получил задание на разработку дальнего высотного скоростного трёхместного истребителя с индексом СТО (100). Основной боевой задачей самолёта должно было стать сопровождение тяжёлого бомбардировщика ТБ-7 в его полётах в глубокий тыл врага.
В начале 1939 года бригада В. Петлякова была переведена в здание КОСОСЦАГИ на ул. Радио, где приступила к цеховым работам. В июле макетная комиссия приняла самолёт с незначительными замечаниями, после чего началось изготовление опытного образца и его дублёра.
Испытания самолёта в воздухе, начатые 22 декабря 1939 года, показали, что истребитель имеет дальность 1400 км, скорость 535 км/ч и потолок в 12 км. ВИ-100 участвовал в воздушной части парада 1 мая 1940 года на Красной площади.
Испытания ВИ-100 закончились успешно, однако 4 июня было принято решение о «перепрофилировании» высотного истребителя в пикирующий бомбардировщик, причём на чертежи для нового самолёта отводилось всего полтора месяца. За это время коллективу предстояло разработать и испытать практически новый фюзеляж, тормозные щитки и систему управления ими, коренным образом пересмотреть размещение экипажа, изменить винтомоторную установку. Установленные жёсткие сроки были выполнены, и через три недели был предъявлен макет самолёта, а 23 июля 1940 года началось его серийное производство на заводах № 22 и № 39 в Москве.
В октябре В.М. Петляков был назначен главным конструктором завода № 39, а 15 декабря Н. Фёдоров впервые поднял в воздух самолёт, который, в соответствии с принятым в декабре правилом обозначения типов самолётов по первым двум буквам фамилии главного конструктора, получил наименование Пе-2.
За пять месяцев до начала войны было выпущено 306 самолётов Пе-2. В марте 1941 года В.М. Петлякову была присуждена Сталинская премия I степени за выдающиеся успехи в создании пикирующих бомбардировщиков и принятия их на вооружение ВВС.
В августе совершил свой первый полёт, а в сентябре был запущен в серию тяжёлый истребитель Пе-3.
Гибель
12 января 1942 года В.М. Петляков направляется из Казани в Москву для встречи с наркомом авиационной промышленности Шахуриным о судьбе производства Пе-2 в Казани. Дело в том, что в декабре 1941 года принимается решение о разворачивании производства на заводе самолёта Ту-2. Однако в 14 часов 15 минут самолёт терпит катастрофу, в которой погибает весь экипаж и В.М. Петляков.
«Причины нелепой гибели конструктора и по сей день остаются не совсем понятными. По служебным делам В. М. Петляков должен был срочно вылететь из Поволжья в Москву. На площадке завода имелось два самолёта Ли-2, предназначенных специально для почтово-пассажирской связи с Москвой. Почему Владимир Михайлович не обратился ни к директору завода, ни к начальнику военной приемки, в ведении которых находились Ли-2, остается совершенно непонятным, если не считать застенчивость и необычайную деликатность Владимира Михайловича. Почему он, никому не сказав ни слова о своем отлете, попросился на один из Пе-2, в составе большой группы перегонявшийся через Москву на фронт? Почему, несмотря на свирепые морозы, был одет легко, в демисезонное пальто и ботинки? На эти вопросы никто не мог ответить. Командир перегоночной группы, думая, очевидно, что его просит об услуге рядовой работник завода, посадил Владимира Михайловича в первый подвернувшийся под руку самолёт, экипаж которого оказался недостаточно опытным. Оторвавшись от земли, самолёт быстро полез вверх, вошел в низкую облачность и через несколько минут, делая, как можно было определить по звуку мотора, круг над аэродромом, вывалился из облаков. В беспорядочном падении, с полностью работающими моторами, машина врезалась в землю. Гибель всего экипажа и конструктора произошла мгновенно.»
Место катастрофы — 1 км от деревни Мамешево и 3 км от станции Камкино Казанской железной дороги.
В.М. Петляков похоронен в Казани на Арском кладбище. Его имя носит Таганрогский авиационный колледж, улицы в Казани, Таганроге и Москве, площадь в Кривом Роге и школа в селе Самбек.