Владимир Немирович-Данченко родился в Озургети Кутаисской губернии Российской империи (ныне Грузия). Отец — Иван Васильевич Немирович-Данченко, дворянин Черниговской губернии из рода Немировичей-Данченко, подполковник Русской императорской армии, служивший на Кавказе. Мать — урождённая Александра Каспаровна Ягубян (1829—1914), армянка, похоронена на Армянском кладбище в Москве.

Учился в Тифлисской гимназии, которую окончил с серебряной медалью в 1876 году. Поступил на физико-математический факультет Московского университета, затем перешёл на юридический факультет, но в 1879 году оставил университет, не окончив его.

В 1877 году начал публиковаться как театральный критик: статьи и обзоры в журналах «Будильник», «Артист», «Стрекоза», газетах «Русский курьер» (был редактором газеты), «Новости дня» и других под псевдонимами Вл., В., Владь, Инкогнито, Гобой, Нике, Кикс.

В 1881 году была написана его первая пьеса «Шиповник», поставленная через год Малым театром; в том же году был опубликован первый его рассказ «На почтовой станции».

В 1891 году был опубликован роман «На литературных хлебах». Позже вышли повести и романы «Мгла» (1894), «Старый дом» (1895) «Губернаторская ревизия» (1896), «Драма за сценой» (1896), «Сны» (1898), пьесы «Последняя воля», «Новое дело», «Золото», «Цена жизни», «В мечтах». Эти драмы пользовались большой популярностью, ставились в Александринском и Малом театрах, а также в провинциальных театрах.

В год премьеры чеховской «Чайки» (1896) отказался от Грибоедовской премии за свою пьесу «Цена жизни», объявив, что пьеса Антона Чехова более достойна этой премии.

В 1891—1901 годах преподавал на драматическом отделении Музыкально-драматического училища Московского филармонического общества. Среди его учеников были Иван Москвин, Ольга Книппер-Чехова и Всеволод Мейерхольд, вошедшие в труппу Московского Художественного театра.

В 1898 году вместе с Константином Станиславским основал Московский Художественный театр (МХТ), став его руководителем, а впоследствии — и рядом его студий.

После Октябрьской революции вошёл в число членов Центротеатра (высший орган, управляющий театрами), стал одним из основателей и редакторов журнала «Культура театра».

В 1919 году организовал при МХТ Музыкальную студию. В 1925 году студия отправилась на гастроли по Европе и Соединённым Штатам. «Такой группы актёров, — писала одна из американских газет, — мы не видели на нашей сцене с тех пор, как здесь был Московский Художественный театр, родитель студии». Перед одним из представлений оперы «Кармен» к зрителям обратился дирижёр Леопольд Стоковский: «На этом спектакле зритель будет сидеть не как обычно в опере, откинувшись на спинку кресла, а внимательно следя за событиями, разворачивающимися на сцене».

После гастролей полтора года работал по контракту в Голливуде. Группа артистов не вернулась на Родину и осталась в США. Вел переговоры об экранизации «Пугачевщины», представив на обсуждение предварительный сценарий, сюжетно скомпонованный из пьесы К. Тренева, шедшей на сцене МХТ в 1925, и сцен из пушкинской «Капитанской дочки». Борис Пильняк, посетивший Голливуд в 1931 году, пересказывал популярную там историю, что сценарий был одобрен с единственным исправлением: «Дирекция находила слишком страшным конец Пугачева и настаивала на том, что Пугачев, вместо плахи, встретился б с Екатериной, они б влюбились в друг друга и – о’кэй – женились». По причинам неприемлемости мрачного конца Пугачева сценарий был в конечном счете отвергнут руководством кинокомпании. По некоторым сведениям, Немирович-Данченко считал пребывание в Голливуде самым тяжелым периодом в своей жизни.

По возвращении в Москву Музыкальной студии Немировича-Данченко было отказано в помещении, и фактически она оказалась на улице; однако вскоре для работы Московскому театру была предоставлена сцена Дмитровского театра (с 1922 года сцена Театра оперетты, Большая Дмитровка, 17).

В 1926 году Студия была преобразована в Музыкальный театр. В этом же году статус театра получила и Оперная студия Большого театра под руководством Константина Станиславского, созданная в 1918 году. С 1926 года оба театра работали под одной крышей, располагали самостоятельными труппами и дирекциями, но имели единый оркестр.

С осени 1928 года из-за болезни сердца Станиславский прекратил актёрские выступления и деятельность режиссёра-постановщика, сосредоточившись на завершении своих трудов по «системе». Вся полнота ответственности за сохранение Художественного театра легла на плечи Немировича-Данченко. До конца жизни он возглавлял МХАТ, будучи его директором и художественным руководителем.

В 1939 году в состав театра Немировича-Данченко вошёл коллектив Московского художественного балета под руководством Викторины Кригер.

С началом Великой Отечественной войны оба театра, находившиеся на гастролях, вернулись в Москву, и 1 сентября были объединены в Московский музыкальный театр имени К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко.

В апреле 1940 года был создан Комитет по Сталинским премиям в области литературы и искусства. Председателем Комитета был утверждён Немирович-Данченко. Он также был инициатором создания Школы-студии при Московском Художественном театре в 1943 году: фактически это было его завещанием.

Владимир Иванович Немирович-Данченко скончался 25 апреля 1943 года в Москве от сердечного приступа. Похоронен на Новодевичьем кладбище.