Родился в семье служащих.
В Ефремове прошли его детство и юность, здесь он окончил в 1918 году реальное училище. В 1920 году поступил и в 1926 окончил Московское высшее техническое училище (МВТУ).
С 1923 года на научно-опытном аэродроме началась его конструкторская деятельность.
Мясищев прошёл большой творческий путь конструктора, учёного, профессора. В студенческие годы работал в ЦИАМ, в отделе В. Я. Климова и занимался авиационными двигателями, которые в СССР только начинали проектироваться. Несколько позже Мясищев был конструктором на научно-опытном аэродроме ВВС, а затем, как и многие авиационные конструкторы, в течение ряда лет работал в отделе опытного самолётостроения ЦАГИ.
В. М. Мясищев приобщился к авиации ещё будучи студентом МВТУ, совмещая учёбу с работой на научно-опытном заводе в качестве чертёжника, а затем конструктора. В дипломном проекте он разрабатывал тему цельнометаллических истребителей, которыми, к слову сказать, в своей конструкторской деятельности практически не занимался. Придя после окончания МВТУ в ЦАГИ, а точнее, в АГОС (аэрогидроопытное строительство), Мясищев стал работать в отделе, который возглавлял А. Н. Туполев, на первых порах — в бригаде крыла под руководством В. М. Петлякова. Уже в самом начале молодой инженер проявил себя как талантливый конструктор, успешно сочетавший проектные и научно-исследовательские работы. В этот период проектировался самолёт ТБ-1, затем ТБ-3, и В. М. Мясищев принимал участие в разработке крыльев для этих машин. Впоследствии он перешёл на более ответственную работу под руководством В. М. Петлякова. Мясищев занимался также конструированием фюзеляжа из тонкостенных хромоникелевых труб, что по тому времени было большой новинкой, причём задача состояла не только в освоении, но и в налаживании производства таких труб. Конструкция фюзеляжа себя полностью оправдала: самолёт ТБ-3 имел два бомбоотсека размером 2х5 м и мог нести бомбовую нагрузку до 10 т. Проектирование ТБ-3 явилось преддверием постройки самолёта «Максим Горький». Разработкой крыла для этой машины занимался Мясищев. Затем Владимир Михайлович перешёл в специализированное КБ А. Н. Туполева, которое выделилось из ЦАГИ в самостоятельную организацию. В новом бюро В. М. Мясищеву было поручено заниматься экспериментальными самолётами.
Несколько позднее В. М. Мясищеву поручили налаживание на заводе серийного производства транспортного самолёта, закупленного у американской фирмы «Дуглас». Творческая переработка конструкции применительно к отечественной технологии и установка отечественных двигателей позволили создать улучшенную модификацию самолёта ДС-3 — Ли-2. В нашей стране было выпущено около 14000 машин (в различных вариантах), прослуживших в авиации почти 40 лет.
В. М. Мясищев разделил судьбу многих других авиационных специалистов и был арестован в 1937 году. Находясь в заключении, он работал в печально знаменитом «спецтехотделе» и проектировал, как и А. Н. Туполев, и В. М. Петляков, свой вариант «сотки».
Владимир Михайлович начал проектировать высотный бомбардировщик и быстро рассчитал и начертил эскизный проект самолёта, что явилось основанием для «верхних инстанций» создать конструкторское бюро под руководством В. М. Мясищева. В нём и была продолжена работа над самолётом, и в 1938 году Владимир Михайлович представил рабочий проект дальнего высотного бомбардировщика ДВБ-102 с двумя мощными опытными двигателями М-120. Особенность самолёта заключалась в герметических кабинах для экипажа и оборудования. В начале войны на эвакуированном заводе выпускаются два первых опытных самолёта этого типа.
Самолёт имел двухкилевую схему хвостового оперения. По проекту машина должна была иметь хорошие лётно-технические характеристики.
На государственных испытаниях самолёт достиг скорости полёта 565 км/ч и высоты 11 500 м, однако дальность полёта оказалась равной 2230 км, что было значительно ниже запроектированной, и самолёт в серию не пошёл. При этом следует заметить, что высотная скоростная авиация в значительной мере в дальнейшем основывалась на идеях и принципах, заложенных в конструкции этого самолёта. В 1942 году один из самолётов совершил перелёт в Москву.
После трагической гибели в 1942 году конструктора В. М. Петлякова возникла необходимость в продолжении работ по дальнейшему совершенствованию самолёта Пе-2 — основного пикирующего бомбардировщика нашей авиации. В связи с этим часть сотрудников ОКБ и сам В. М. Мясищев были направлены на серийный завод, где выпускались самолёты Пе-2. За годы войны появилось не менее восьми модификаций этого бомбардировщика.
Необходимость в истребителе, обладавшем большой дальностью полёта, привела к созданию самолёта ДИС — дальнего истребителя сопровождения. Машина прошла заводские испытания. Дальность полёта без подвесных баков составляла 1700 км, а с подвесными баками — почти 4000 км. Это была, по существу, летающая крепость, так как самолёт имел две пушки калибра 20 мм в носовой части фюзеляжа, две пушки 37 мм (или 45 мм) снизу и одну пушку сверху. Скорость полёта ДИС на 50 км/ч превышала скорость немецкого истребителя Me-109.
В ОКБ В. М. Мясищева во время войны продолжались работы и по созданию бомбардировщиков. В частности, летом 1944 года был построен дальний высотный бомбардировщик ДВБ-108, внешне похожий на Пе-2И, но обладавший более мощными моторами. Ведущим конструктором самолёта был Михаил Кузьмич Янгель, будущий создатель советской ракетно-космической техники.
В конце 1945 года руководимый В. М. Мясищевым коллектив ОКБ разработал проект реактивного бомбардировщика РБ-17 с четырьмя турбореактивными двигателями РД-10. Самолёт имел две герметические кабины и трёхколёсное шасси, убирающееся в фюзеляж. Проектируемая скорость составляла 800 км/ч.
В октябре 1945 года большая группа работников ОКБ и серийного завода во главе с В. М. Мясищевым была награждена высокими правительственными наградами, однако через некоторое время конструкторское бюро было расформировано, что мотивировалось его малой отдачей, а сам Владимир Михайлович был назначен деканом самолётного факультета Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе; затем профессор В. М. Мясищев стал заведовать кафедрой на этом факультете.
24 марта 1951 года решением правительства было воссоздано ОКБ главного конструктора В. М. Мясищева, перед которым ставится задача — создать стратегический реактивный самолёт, высота и дальность полёта которого в 1,5-2 раза, а взлётная масса в 3-4 раза превышали бы данные самолётов, имевшихся на вооружении. Большая поддержка новому ОКБ была оказана заместителем Председателя Совета Министров СССР В. М. Малышевым.
Несмотря на некоторый скептицизм, высказывавшийся по поводу возможности создания подобного самолёта, конструктор незамедлительно приступил к выполнению поставленной задачи, начав с организации сплочённого творческого коллектива энтузиастов. Владимир Михайлович смело привлекал к разработкам студенческую молодёжь, охотно помогавшую в проведении расчётов с целью обосновать возможности постройки самолёта. В работу по обеспечению создания самолёта было вовлечено большое число заводов-смежников.
Самолёт был запущен в серийное производство, одновременно в КБ проводились крайне необходимые работы, направленные на увеличение дальности полёта этого самолёта, для чего отрабатывалась дозаправка топливом в полёте, а также возможность использования его в транспортном и пассажирском вариантах. Приятное впечатление оставляли встречи и беседы с Владимиром Михайловичем, который был настроен оптимистично и стремился как можно полнее удовлетворить требования представителей ВВС, предлагая новые перспективные работы по созданию сверхзвукового тяжёлого бомбардировщика.
С появлением серийных истребителей со сверхзвуковой скоростью полёта и усилением средств ПВО конструкторское бюро В. М. Мясищева проработало схемы новых тяжёлых бомбардировщиков с турбореактивными двигателями, обеспечивающими сверхзвуковую и околозвуковую скорость полёта. Анализ, проведённый в КБ, показал, что для таких самолётов оптимальной является схема с треугольным крылом в плане.
В 1961 году на воздушном параде в Тушино состоялся первый показ нового самолёта — сверхзвукового ракетоносца М-50. Для постройки этого воздушного корабля потребовались не только широкие аэродинамические исследования, но и разработка конструкции планера из крупногабаритных прессованных панелей, исключающих трудоёмкий процесс клёпки. Кроме того, была освоена герметизация больших объёмов крыла и фюзеляжа, которые использовались как ёмкости для топлива.
Важный этап в деятельности Владимира Михайловича Мясищева представляет его работа в 1960—1967 годах в качестве руководителя Центрального аэрогидродинамического института. Этот период характеризовался широкими исследованиями в области больших сверхзвуковых скоростей для летательных аппаратов как обычных, так и принципиально новых схем (самолёты с изменяемой стреловидностью крыла, вертикальных взлёта и посадки и др.). В. М. Мясищев направлял усилия возглавляемой им организации на разработку перспективных видов авиационной техники, казавшихся иногда даже несколько фантастичными.
Самолёты конструкторского бюро В. М. Мясищева до сих пор состоят на вооружении нашей дальней авиации, а те из них, которые оборудованы системой заправки в воздухе, позволяют преодолевать межконтинентальные расстояния другим самолётам.
Оригинальным применением самолёта В. М. Мясищева явилось использование его в качестве самолёта-носителя советского корабля многоразового использования «Буран» для доставки его с аэродрома завода-изготовителя на космодром Байконур.