Владимир Иванович Пичета родился 9 октября 1878 года в Полтаве. Его отец, Иван Христофорович, серб по национальности, был ректором Витебской, а затем Полтавской духовной семинарии. Мать учёного, Мария Григорьевна Григоренко, украинка по происхождению, была дочерью киевского чиновника Казённой палаты.
Владимир Иванович Пичета окончил в 1897 году Полтавскую гимназию, а в 1901 году — историко-филологический факультет Московского университета. Научным руководителем его дипломной (тогда называвшейся кандидатской) работы «Юрий Крижанич о Московском государстве» был В. О. Ключевский.
После окончания университета преподавал в средних учебных заведениях Москвы, а с 1902 года работал на Украине (Коростышев, Екатеринослав). В сентябре 1905 года Пичета вернулся в Москву, где преподавал сначала в средних учебных заведениях, а с 1906 года — в высших, выступал с лекциями перед рабочими. В 1909 году молодой учёный сдал магистерский экзамен, а в 1910 утверждён в звании приват-доцента Московского университета. В феврале 1911 года вместе с группой профессоров и приват-доцентов ушёл из университета в знак протеста против деятельности министра народного просвещения Л. А. Кассо. Преподавал на Высших женских курсах и в Практической академии коммерческих наук. В конце 1917 года Пичета стал преподавателем Московского университета, а после слияния в июне 1918 года Высших женских курсов, где он читал лекции, с университетом — профессором МГУ. В 1918 году Владимир Иванович защитил диссертацию на степень магистра русской истории по первому тому монографии «Аграрная реформа Сигизмунда-Августа в Литовско-Русском государстве».
После открытия университета в Минске — его ректор в 1921—1929 годах.
В 1930 году был арестован по «академическому делу» и обвинён в великодержавном шовинизме, белорусском буржуазном национализме и прозападной ориентации. Многомесячное пребывание в Доме предварительного заключения в Ленинграде в 1930—1931 гг. серьёзно подорвало физическое и моральное здоровье учёного. В августе 1931 года Пичета был выслан в Вятку, где работал нормировщиком и табельщиком в кооперативе общественного питания. В сентябре 1934 г. Пичету перевели в Воронеж, где он работал профессором Воронежского педагогического института, читал курс истории СССР.
Одна из версий освобождения Пичеты из ссылки связана с именем Эдварда Бенеша — министра иностранных дел Чехословакии (в будущем — президент Чехословакии). По воспоминаниям А.И. Пичета (второй жены Владимира Ивановича), в июне 1934 года Бенеш посетил Москву с целью установления дипломатических отношений с Советским Союзом. Во время встречи со Сталиным на вопрос главы правительства Советского Союза, что бы министр хотел увидеть в Союзе, с кем пообщаться, Бенеш ответил: «Я хотел бы встретиться с известным учёным славистом, профессором Пичетой, а то у нас в Чехословакии ходят слухи, что он арестован и его даже нет в живых». По приказу Сталина Пичету срочно доставили с Вятки, вручили фальшивое удостоверение члена-корреспондента АН СССР и представили Бенешу. После возвращения в Прагу Бенеш устроил пресс-конференцию для чехословацких и иностранных журналистов. На вопрос о своих встречах в Советском Союзе он сказал, что встречался с известным учёным, славистом, профессором Пичетой. «Слухи о его аресте и гибели, к счастью, не подтвердились», — заявил Бенеш.
Историк Ю. Ф. Иванов, не ставя под сомнение возможность вмешательства Бенеша, на основании архивных материалов предположил, что летом 1934 года министр иностранных дел Чехословакии не был в СССР, визит состоялся годом позже, когда он посетил Москву, чтобы произвести обмен ратификационными грамотами ранее заключенного договора о взаимопомощи. А значит, освобождение Пичеты из ссылки состоялось не ранее, чем за три месяца до окончания срока, установленного ученому Коллегией ОГПУ.
То ли благодаря вмешательству Бенеша, то ли вследствие прошения Пичеты в ЦИК о досрочном освобождении его дело было пересмотрено и 26 апреля 1935 года учёный был освобождён досрочно. В 1935—1936 гг. он возобновляет научно-преподавательскую деятельность. С 1937 года он работает старшим научным сотрудником в Институте истории АН СССР, с 1938 года — профессором Московского педагогического института им. В. И. Ленина и МГУ. В 1939 году по его инициативе были организованы сектор славяноведения Института истории АН СССР и кафедра истории южных и западных славян МГУ. В следующем году он был восстановлен в звании академика АН БССР, которого его лишили в 1930 году. С 1946 года Пичета — заместитель директора Института славяноведения АН СССР.
Умер 23 июня 1947 года, похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.
В. И. Пичета является автором большого количества трудов по истории России, Польши, Беларуси, Литвы и Украины. Его работы 20-х — 30-х годов разрабатывают в основном социально-экономические проблемы российской истории эпохи Смуты и отмены крепостного права.
С именем Пичеты связано становление белорусской советской исторической науки. Темы его исследований включали вопросы этногенеза белорусского народа, историю белорусских городов, археологию и краеведение, историю белорусского языка и литературы — из 516 работ учёного более 150 посвящены истории Беларуси.
Работы Пичеты внесли немалый вклад и в историографию Литвы. Его труды посвящены таким проблемам, как возникновение и развитие Литовского феодального государства, генезис и развитие крепостничества, положение крестьянства и развитие городов. Владимир Иванович изучал юридическое положение крестьян и холопов в Литве, положение этого княжества в составе Речи Посполитой.
С 1939 года Пичета сосредоточил внимание на истории Польши. В последние годы жизни трудился преимущественно над 3-х томной «Историей Польши» (3-й том остался незавершённым).
С 1993 года в Белорусском государственном университете проводится конкурс на соискание премии имени В. И. Пичеты в области социальных и гуманитарных наук. Премия присуждается только учёным из БГУ.
В 2011 году в Минске была открыта мемориальная доска в честь Пичеты.