Владимир Грум-Гржимайло родился 12 (24) февраля 1864 г. в Петербурге, в семье экономиста. Закончил Петербургский горный институт в 1885 г., после чего работал на уральских металлургических заводах в Нижнем Тагиле, Нижней Салде, Верхней Салде, Алапаевске.
С 1907 г. Грум-Гржимайло — адъюнкт, а с 1911 по 1918 г. — ординарный профессор Петербургского политехнического института. Гражданскую войну с семьей встретил на Урале. В 1919 г. при отступлении «белых» с семьей уехал в Сибирь. С 1920 по 1924 г. он занимал должность профессора Уральского университета (г. Екатеринбург). В 1924 г. выступил в защиту профессора М. О. Клера, который был обвинен в шпионаже в пользу Франции. Из-за начавшейся травли был вынужден покинуть Екатеринбург и переехать в Москву. Последние годы жизни (с 1924) занимался проектированием металлургических и заводских печей, создал московское Бюро металлургических и теплотехнических конструкций.
Грум-Гржимайло доказал экономическую целесообразность т. н. русского бессемерования, теоретически обосновал его, показав, что благодаря перегреву горение углерода в чугуне начинается с первых минут продувки (при английском типе бессемерования горение углерода протекает только после выгорания кремния и марганца). В 1908 г. Грум-Гржимайло первым применил законы физической химии (закон о равновесном состоянии системы в зависимости от изменения температуры и закон действия масс) к объяснению процессов, происходящих в бессемеровском конвертере и в стальной ванне мартеновской печи.
В 1910 г. учёный предложил теорию расчёта пламенных печей, применив законы гидравлики к движению печных газов. Изучая свойства огнеупорных материалов, в особенности динаса, Грум-Гржимайло создал «теорию перерождения динаса», являющуюся до сих пор основой технологии его обработки. В работе «Прокатка и калибровка» Грум-Гржимайло впервые научно объяснил методы калибровки валков, державшиеся в секрете старыми мастерами. Эта книга положила начало теоретическому изучению калибровки.
Под руководством Грум-Гржимайло были созданы проекты различных нагревательных печей — методических (для нагрева слитков перед прокаткой), кузнечных (для термической обработки металлов), сушильных, отжигательных и мартеновских.
Владимир Грум-Гржимайло скончался 30 октября 1928 г. в Москве. Похоронен на Ваганьковском кладбище.