Родился Василий Дмитриевич Поленов в Петербурге 20 мая (1 июня) 1844 года в культурной дворянской семье. Его отец — Дмитрий Васильевич Поленов, сын академика по отделению русского языка и словесности, — был известным археологом и библиографом. Мать будущего художника, Мария Алексеевна, урожденная Воейкова, писала книги для детей и занималась живописью. Способности к рисованию были свойственны большинству детей Поленовых, но наиболее одаренными оказались двое: старший сын Василий и младшая дочь Елена, ставшие впоследствии настоящими художниками.
У детей были педагоги по живописи из Академии художеств. Встреча с одним из преподавателей — П.П. Чистяковым — стала определяющей для жизненного пути Поленова. Чистяков обучал рисунку и основам живописи Поленова и его сестру в 1856-1861 годах. После долгих колебаний в 1863 году он, окончив гимназию, поступает вместе со своим братом Алексеем на физико-математический факультет (естественный разряд) Петербургского университета. Одновременно по вечерам в качестве вольноприходящего ученика он посещает Академию художеств, причем занимается не только в рисовальных классах, но так же с интересом слушает лекции по предметам анатомии, строительному искусству, начертательной геометрии, истории изящных искусств. Не прекращает Поленов и занятий музыкой. Он не только был постоянным посетителем оперного театра и концертов, но и сам пел в студенческом хоре Академии. Перейдя в натурный класс Академии художеств уже в качестве постоянного ученика, Поленов на время оставляет университет, целиком погрузившись в занятия живописью. Сделав тем самым правильный выбор, ведь уже в 1867 году он заканчивает ученический курс в Академии художеств и получает серебряные медали за рисунки и этюд. В 1871 году он получает диплом юриста.
В 1869 году за картину «Иов и его друзья» Поленов получил малую золотую медаль, а в 1871 году (одновременно с Ильёй Репиным) за конкурсную работу «Христос воскрешает дочь Иаира» — большую золотую медаль. Окончив одновременно университетский курс по юридическому факультету в 1872 году, Поленов отправился за границу в качестве пенсионера академии. Посетил Вену, Мюнхен, Венецию, Флоренцию и Неаполь, длительное время жил в Париже и написал там в числе прочего картину «Арест графини д’Этремон», обеспечившую ему в 1876 году звание академика.
Возвратившись в том же 1876 году в Россию, вскоре отправился на русско-турецкую войну, в продолжение которой состоял официальным художником при главной квартире наследника-цесаревича (впоследствии императора Александра III). С 1870-х Поленов много работал в области театрально-декорационной живописи. В 1882—1895 годах художник преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, где в числе его учеников были И. И. Левитан, К. А. Коровин, И. С. Остроухов, А. Е. Архипов, А. Я. Головин и Е. М. Татевосян. В 1877 Поленов поселился в Москве. Спустя год на VI передвижной выставке Поленов показывает ставшую впоследствии его визитной карточкой картину «Московский дворик», написанную с натуры в арбатском переулке. После её оглушительного успеха художник становится родоначальником нового жанра — «интимного пейзажа».
С 1879 года состоял членом Товарищества передвижных художественных выставок. Приобретает славу мастера эпического пейзажа, которую затем приумножит, поселившись на Оке и совершив путешествия по местам, связанным с колыбелью христианства.