Окончил исторический факультет Кембриджского университета (Великобритания).
Автор документального фильма об истории диссидентского движения в СССР «Они выбирали свободу», (RTVi, 2005).
Владеет английским и французским языками.
В 2011 году в Москве и Санкт-Петербурге была представлена книга Владимира Кара-Мурзы (мл.) «Реформы или революция: к истории попытки образовать ответственное министерство в I Государственной Думе». Книга рассказывает о попытке победившей на выборах в I Думу Конституционно-демократической партии (партии кадетов) добиться формирования правительства парламентского большинства весной–летом 1906 года. Издателем книги выступила Российская объединенная демократическая партия «Яблоко».
В 1999—2001 годах был членом партии Демократический выбор России, с 2001 года — в партии «Союз правых сил» (СПС). В 2000—2003 годах — советник председателя фракции СПС в Государственной Думе РФ Бориса Немцова.
Начиная с 2000 года последовательно выступал за переход СПС в оппозицию к режиму Владимира Путина. На президентских выборах 2000 года поддержал Григория Явлинского.
На парламентских выборах 7 декабря 2003 года Владимир Кара-Мурза был единым кандидатом в депутаты Государственной Думы РФ от партий СПС и «Яблоко» в Чертановском избирательном округе № 204 Москвы. По результатам выборов занял второе место из десяти кандидатов, получив 23 800 голосов избирателей (8,59 %).
В январе 2004 года стал одним из соучредителей Комитета-2008: свободный выбор.
В мае 2007 года Кара-Мурза выступил инициатором выдвижения известного писателя и правозащитника Владимира Буковского кандидатом в президенты РФ от демократической оппозиции на выборах 2008 года. С мая по декабрь 2007 года являлся координатором Инициативной группы по выдвижению Буковского, в состав которой входили академик РАН Юрий Рыжов, писатель Виктор Шендерович, правозащитник Александр Подрабинек, политолог Владимир Прибыловский, адвокат Юрий Шмидт, публицист Андрей Пионтковский и другие общественные деятели. 22 декабря 2007 года Центральная избирательная комиссия РФ отказала Владимиру Буковскому в регистрации кандидатом в президенты.
На съезде СПС 17 декабря 2007 года Владимир Кара-Мурза был избран в состав Федерального политического совета. 29 сентября 2008 г. написал заявление о выходе из партии в знак протеста против ее вхождения в кремлевский проект «Правое дело».
На учредительном съезде Объединенного демократического движения «Солидарность» 13 декабря 2008 г. избран членом Федерального политического совета. По итогам голосования занял 2-е место из 77 кандидатов, уступив только Борису Немцову.
10 марта 2010 года подписал обращение российской оппозиции «Путин должен уйти» (подпись № 4).
Женат. Воспитывает троих детей.
Сын тележурналиста Владимира Кара-Мурзы (старшего), племянник философа Алексея Кара-Мурзы, родственник (двоюродный племянник) публициста Сергея Кара-Мурзы.
Правнук латвийского революционера Вольдемара Бисениекса (1884—1938), двоюродный правнук латвийского политика и дипломата, первого посла Латвии в Великобритании Георга Бисениекса (1885—1941) и латвийского агронома и общественного деятеля Яниса Бисениекса (1864—1923).
Правнук адвоката и театроведа Сергея Кара-Мурзы (1876—1956).