После смерти отца, сельского священника Осипа Васильевича Ключевского (1815—1850), семья Ключевских перебралась в Пензу, где Василий учился сначала в приходском, а затем в уездном духовных училищах, после окончания которого в 1856 году поступил в Пензенскую духовную семинарию, однако после чуть более четырех лет учёбы отчислился из неё, не закончив. В 1861 году уехал в Москву, где в августе поступил на историко-филологический факультет Московского университета. Окончив университет (1865) по представлению С. М. Соловьева был оставлен при кафедре русской истории для подготовки к профессорскому званию.
Среди университетских профессоров на Ключевского оказали особое влияние С. В. Ешевский (всеобщая история), С. М. Соловьёв (русская история), Ф. И. Буслаев (история древнерусской словесности). Кандидатская диссертация: «Сказания иностранцев о Московском государстве»; магистерская диссертация: «Древнерусские жития святых как исторический источник» (1871), докторская диссертация: «Боярская дума Древней Руси» (1882).
После смерти С. М. Соловьёва (1879) стал читать курс русской истории в Московском университете. С 1882 года — профессор Московского университета. Параллельно основному месту работы читал лекции в Московской духовной академии и Московских женских курсах, организованных его другом В. И. Герье. В период 1887—1889 был деканом историко-филологического факультета и проректором университета.
В 1889 году избран членом-корреспондентом Императорской Академии наук по разряду историко-политических наук.
В 1893—1895 годах по поручению императора Александра III читал курс русской истории великому князю Георгию Александровичу. Среди его учеников также был А.С. Хаханов.
В 1899 году вышло «Краткое пособие по русской истории», а с 1904 года издавался полный курс. Всего вышло 4 тома — до времени правления Екатерины II.
В 1900 году избран ординарным академиком Императорской Академии наук (сверх штата) по истории и древностям Русским.
В 1905 году Ключевский получил официальное поручение участвовать в работе Комиссии по пересмотру законов о печати и в совещаниях по проекту учреждения Государственной думы и её полномочий.
10 апреля 1906 был избран членом Государственного совета от Академии наук и университетов, но 11 апреля отказался от звания, поскольку не находил участие в совете «достаточно независимым для свободного… обсуждения возникающих вопросов государственной жизни».
В. О. Ключевский являлся почётным членом Витебской учёной архивной комиссии.
Умер 12 (25) мая 1911 в Москве. Похоронен на Донском кладбище в Москве.