Родился в Муроме в семье купца первой гильдии Козьмы Зворыкина, который торговал хлебом, владел пароходами и был председателем Муромского общественного банка. Окончив муромское реальное училище, в 1906 году поступил в Санкт-Петербургский технологический институт. С отличием окончил его в 1912 году с дипломом инженера-технолога.
В период обучения в Технологическом институте участвовал в проведении первых опытов в области «дальновидения» и электроники под руководством профессора Б. Л. Розинга.
В 1912-1914 годах продолжал образование в Париже в Коллеж де Франс под руководством Поля Ланжевена.
Во время Первой мировой войны служил в войсках связи в Гродно, затем работал в офицерской радиошколе в Петрограде.
Бежит от гражданской войны через Екатеринбург в Омск, столицу белого движения в Сибири, где занимается оборудованием радиостанций, работает с зарубежными поставщиками, ездит в командировки. В 1919 году, во время второй командировки в Нью-Йорк, правительство Колчака пало, то есть возвращаться было некуда, и Зворыкин становится сотрудником компании «Вестингауз» (англ. ), где занимается любимой темой — передачей изображения на расстояние, однако не находит понимания у начальства (отчасти из-за языкового барьера), и продолжает разработки самостоятельно. В 1923 году Зворыкин подал патентную заявку (US Patent 2141059 of 20.12.1938) на телевидение, осуществляемое полностью на электронном принципе.
В 1933 году и последующие годы Зворыкин неоднократно бывал в Европе, в том числе посещал СССР. Его консультации сыграли большую роль в создании систем телевещания в Европе. В результате реализации заключенного с RCA договора, СССР ввел в действие в 1938 году первую передающую станцию электронного ТВ в Москве, было освоено производство телевизоров «ТК-1» с кинескопом Зворыкина.
В 1940-е годы Владимир Козьмич осуществил вместе с Дж. Хиллиером (англ. ) разработку сканирующего электронного микроскопа. В годы второй мировой войны занимался разработкой приборов ночного видения и авиабомб с телевизионной наводкой.
В 1944-46 годах подвергался слежке и прослушиванию разговоров со стороны ФБР.
В 1950-1960-е годы Зворыкин сконцентрировал внимание на области медицинской электроники, где успешно применил свой опыт разработки телевизионного оборудования и других приборов.
В. К. Зворыкину принадлежат более 120 патентов на различные изобретения. Он получил большое число различных наград. В частности, в 1967 году президентом США Линдоном Джонсоном ему была вручена Национальная научная медаль США за научные заслуги за 1966 год. В 1977 году избран в Национальную галерею славы изобретателей (англ. ).
Умер 29 июля 1982 года; похоронен на кладбище Принстона. Согласно документальному фильму Л. Парфёнова «Зворыкин-муромец» прах «отца телевидения» развеян над озером Тонтон (англ. Taunton lake) рядом с его дачей.
Был дважды женат:
Дети: