Генерал-майор инженерно-авиационной службы (1943), доктор технических наук (1947). Заслуженный деятель науки и техники РСФСР.
Родился 23 января (4 февраля) 1899 года в Саратове.
В 1926 году окончил Академию воздушного флота им. Н. Е. Жуковского. После адъюнктуры стал преподавателем, в 1937 году назначен начальником кафедры.
В 1934—1936 возглавлял разработку тяжёлого бомбардировщика ДБ-А («Дальний Бомбардировщик — Академия»), на котором в 1936—1937 годах советскими лётчиками установлены четыре мировых рекорда дальности полёта с грузом. Этот самолёт под номером Н-209 был использован С. А. Леваневским для попытки перелёта в США через Северный Полюс в августе 1937 года. До 1940 года ДБ-А выпускался небольшой серией и использовался в качестве транспортного самолёта.
В 1939 году руководил постройкой оригинального скоростного самолёта-истребителя «С» с двумя соосными винтами, показавшего при лётных испытаниях скорость 570 км/ч. В начале 1940 года участвовал в испытаниях установленного на самолёт прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
В 1941—1945 годах под руководством Болховитинова конструкторами А. Я. Березняком и А. М. Исаевым был разработан первый советский ракетный истребитель БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем.
С 1946 года — на преподавательской работе в Военно-воздушной академии имени Н. Е. Жуковского.
В. Ф. Болховитинов является автором ряда трудов по авиационной технике.
Умер 29 января 1970 года в Москве. Похоронен на Введенском кладбище.