В 1953 году окончил психологическое отделение философского факультета МГУ.
С 1953 года работал в учреждениях АПН СССР, с 1989 года вице-президент АПН СССР. Почётный член Национальной академии образования США (1982). Член редколлегий изданий «Вопросы психологии» и «Психологический журнал» . Последователь Л. С. Выготского, ученик Д. Б. Эльконина и П. Я. Гальперина (с которым позднее дружил до конца жизни). Работы по педагогической психологии посвящены проблемам развивающего обучения и возрастных норм психического развития. Теоретические разработки Давыдова внедрялись и проверялись на практике в московской экспериментальной школе № 91.
На основе его теории различных типов мышления человека были созданы и внедрены конкретные программы и учебно-методические пособия по математике, русскому языку, химии, географии и другим предметам.
В современной педагогике существует образовательная система развивающего обучения Д. Б. Эльконина — В. В. Давыдова, учебники для которой рекомендованы для начальной школы и некоторых старших классов общеобразовательных школ.Кроме того, Давыдов профессионально занимался философскими проблемами, в частности, на протяжении многих лет во вверенном ему учреждении поддерживал деятельность нескольких теоретико-методологических семинаров по фундаментальными проблемам мышления и деятельности, культурно-исторической психологии и др. Его дружба с известными философами, составлявшими идеологическую оппозицию советской педагогике — Э. В. Ильенковым, А. А. Зиновьевым, Г. П. Щедровицким и другими дала возможность поставить и во многом решить ряд фундаментальных психологических проблем относительно механизмов обучения и развития.
В своих трудах В. В. Давыдов неоднократно довольно смело высказывался по поводу официальных педагогических догм. «Последней каплей» стал выход книги A. C. Арсеньева, Э. В. Бесчеревных, В. В. Давыдова и др. «Философско-психологические проблемы развития образования» под редакцией В. В. Давыдова (М.: Педагогика, 1981), после чего Давыдов в 1983 был исключён из партии, снят с должности директора Института общей и педагогической психологии АПН СССР и даже отстранён от работы в экспериментальной школе № 91, где проводил свой формирующий эксперимент. Однако уже через несколько лет, в 1986, награждён премией им. Ушинского за достижения в педагогике, а позднее восстановлен в партии и в 1989 вновь назначен директором института общей и педагогической психологии АПН СССР.
В 1991 году В. В. Давыдов по приглашению Н. Г. Алексеева включается в работу Научного Совета по философии образования при Президиуме Российской академии образования, совместно с такими ведущими философами, психологами и педагогами как Ю. В. Громыко, И. И. Ильясов, В. А. Лекторский, В. С. Мухина, Н. И. Непомнящая, В. А. Петровский, А. П. Огурцов, В. М. Розин, Б. В. Сазонов, В. И. Слободчиков, И. Н. Семенов, В. С. Швырев, П. Г. Щедровицкий, Э. Г. Юдин и другими.Похоронен на Калитниковском кладбище г. Москвы.