Родился 1 апреля 1943 года в городе Ташкенте в семье советского офицера — военного инженера Матвея Исааковича Бухштабера. Мама — Вера Петровна Бухштабер — педагог.
В 1960 году поступил на механико-математический факультет Ташкентского государственного университета.
В годы учебы, в 1963 году, принял участие в работе оргкомитета 3-го Всесоюзного Топологическом съезда, состоявшегося в Ташкенте, который сыграл определяющую роль в судьбе Виктора Бухштабера.
В 1964 году при содействии академика П. С. Александрова он был переведен на механико-математический факультет МГУ, который окончил в 1966 году.
В 1966—1969 годах обучался в аспирантуре отделения математики мехмата под руководством С. П. Новикова и Д. Б. Фукса.
С 1969 года по приглашению академика С. А. Христиановича стал работать во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).
С 1993 года — на кафедре высшей геометрии и топологии механико-математического факультета МГУ (с 2000 года — профессор), с 1996 года — в отделе геометрии и топологии Математического института им. В. А. Стеклова РАН (с 2006 года — главный научный сотрудник), а с 2007 года — в Институте проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН.
В 2006 году избран членом-корреспондентом Российской академии наук.
В 2004 году избран иностранным членом Королевского общества Эдинбурга — Шотландской академии наук. Имеет звания: почётный профессор факультета математики Манчестерского университета (2010 год), почётный доктор Воронежского государственного университета (2015 год).Под руководством В. М. Бухштабера защищено более 30 кандидатских диссертаций; четверо его учеников в настоящее время являются профессорами.В. М. Бухштабер является членом Московского, Американского, Лондонского математических обществ.