Василий Ливанов родился 19 июля 1935 года в Москве. Его отец, Борис Ливанов, известный актер театра МХАТ, дед, Николай Ливанов, также был актером. Василий не сразу решил продолжать семейную традицию – в юности он хотел стать кавалеристом и даже некоторое время работал на конном заводе. Однако актерские гены дали о себе знать. После получения начального образования и окончания в 1954 году средней художественной школы при Академии художеств СССР, Василий поступил в Театральное училище имени Щукина, которое окончил в 1958 году.

Дебют Ливанова в кино состоялся в 1959 году, в фильме режиссера Михаила Калатозова «Неотправленное письмо». Кстати, на съемках этой ленты он и приобрел свой уникальный хрипловатый тембр голоса, пытаясь в сильный мороз перекричать ветер при озвучивании своего персонажа. В итоге Ливанов сорвал голос, а когда через несколько недель снова смог говорить, тембр стал таким, каким его знают миллионы зрителей. Первая роль закрепила за актером оказавшийся востребованным образ романтичного интеллигента, повторявшийся затем из фильма в фильм. Широкую популярность Ливанов приобрел после роли в драме «Коллеги» (1962), оцененной как зрителями, так и критикой.

Но к середине 1960-х годов Ливанов сознательно начал отказываться от ролей, вновь эксплуатировавших его устоявшийся типаж и поступил на Высшие режиссерские курсы при Госкино СССР. В 1966 году он с закончил учебу с отличием, сняв в качестве дипломной работы мультфильм «Самый-самый-самый». Мультипликация открыла новую страницу в творчестве Ливанова. Совместно с Юрием Энтиным он написал сценарий классического музыкального мультфильма «Бременские музыканты» (1969) и его продолжений «По следам бременских музыкантов» (1973) и «Новые Бременские» (2000). В общей сложности перу Ливанова принадлежат сценарии полутора десятков мультфильмов. Не менее знаменитыми стали и работы по озвучанию мультперсонажей. Его голосом заговорили Карлсон в мультфильме «Малыш и Карлсон» (1968), крокодил Гена в сериале о приключениях Чебурашки и крокодила Гены, первая часть которого вышла в 1969-м году, Удав из сериала «38 попугаев» (1976), инопланетянин Громозека из «Тайны третьей планеты» (1981) и многие другие. Всего на счету Василия Борисовича озвучание порядка трех десятков мультфильмов.

На киноэкране в 1970-е Ливанов появлялся гораздо реже, но из его выдающихся работ можно отметить роли императора Николая I в мелодраме «Звезда пленительного счастья» (1975) и рыцаря Бенедиктуса в исторической драме «Ярославна, королева Франции» (1978). Однако самая известная роль Ливанова была еще впереди. В 1979-м году на студии «Ленфильм» была снята первая часть 11-серийного телевизионного фильма «Шерлок Холмс и доктор Ватсон» (1979–1986), сделавшего актера всенародным любимцем. Сегодня созданный Ливановым образ Шерлока Холмса считается лучшим воплощением легендарного сыщика в кино. В 2006 году за блестяще исполнение этой роли королева Великобритании вручила актеру почетный Орден Британской империи.

27 апреля 2007 года в Москве на Смоленской набережной у стен посольства Великобритании открыли скульптурную композицию «Шерлок Холмс и доктор Ватсон» (скульптор Андрей Орлов). Прототипом Шерлока Холмса послужил Василий Ливанов, а доктора Ватсона — Виталий Соломин.

Также в 2007 году, в ознаменование 120-летия создания Артуром Конан Дойлом дебютной повести о Шерлоке Холмсе, частная компания «Новозеландский монетный двор» выпустила мемориальную серию из четырёх монет номиналом в два новозеландских доллара каждая. На реверсе первой монеты изображён Шерлок Холмс (в исполнении Василия Ливанова) в охотничьей войлочной шляпе и с трубкой.

На остальных трех монетах, помимо Шерлока Холмса, изображены доктор Ватсон (в исполнении Виталия Соломина), Мисс Морстен (в исполнении Екатерины Зинченко), сэр Генри Баскервиль (в исполнении Никиты Михалкова) и профессор Мориарти (в исполнении Виктора Евграфова).

После семи лет работы над образом Холмса Ливанов снимается редко – все роли в период с конца 1980-х до конца 2000-х можно пересчитать по пальцам. По словам актера, в кино его больше всего привлекает хорошая литературная основа сюжета, а таких картин очень немного. В 1996 году он сам попробовал снять кино, став сорежиссером фильма «Дон Кихот возвращается», а в последние года не появляется на экране, проводя большую часть времени на фамильной даче. Знаменитый актер живет со своей второй женой, художницей анимационного кино Еленой Артемьевной, у него трое взрослых детей и трое внуков.