Ефремов Василий Сергеевич родился 1 (14) января 1915 года в городе Царицын (ныне город Волгоград). В 1929 году окончил 7 классов школы в родном городе, в 1932 году – школу фабрично-заводского обучения в городе Сталинград (ныне Волгоград). В 1932–1934 годах работал электромонтёром на Сталинградском деревообделочном заводе имени В.В. Куйбышева.
В армии с сентября 1934 года. В ноябре 1937 года окончил Сталинградскую военную авиационную школу лётчиков. Служил в ВВС лётчиком и старшим лётчиком 33-го скоростного бомбардировочного авиационного полка (в Киевском особом военном округе; город Белая Церковь Киевской области, Украина). Летал на бомбардировщике СБ.
Участник советско-финляндской войны: в феврале – марте 1940 – старший лётчик 33-го скоростного бомбардировочного авиационного полка. Воевал в составе ВВС 14-й армии. Участвовал в боях на мурманском направлении. Совершил 3 боевых вылета на бомбардировщике СБ.
Участник Великой Отечественной войны: в июне 1941 – сентябре 1944.
10 июля 1941 года его СБ был подбит в районе города Коростышев (Житомирская область, Украина), экипаж покинул самолёт на парашютах. После приземления В.С. Ефремов и раненый штурман экипажа Н.М. Николаев примкнули к группе отступающих красноармейцев и через несколько дней вышли к своим в районе города Ирпень (Киевская область, Украина). Вскоре линию фронта перешёл и стрелок-радист экипажа А.Я. Сирота.
Позднее, до середины 1942 года, В.С. Ефремов чаще всего летал со стрелком-радистом старшим сержантом Василием Ефимовичем Капитоновым, в марте 1942 года удостоенным звания Героя Советского Союза.
За время войны совершил более 380 боевых вылетов на бомбардировщиках СБ, Ар-2 и А-20 «Бостон», в воздушных боях его экипаж сбил 4 самолёта противника. В воздушных боях самолёт В.С. Ефремова был подбит три раза – дважды он сажал подбитые СБ и один раз «Бостон» на вынужденную посадку.
23 августа 1942 года принимал участие в бомбардировке переправы противника через Дон в 5 км южнее станицы Трёхостровская (Иловлинский район Волгоградской области), которую в процессе наступления настойчиво возводили немцы и не менее настойчиво разрушала советская авиация. После бомбардировки В.С. Ефремова переправа была разрушена, а движение по ней прекратилось. «Самолёт Ефремова находился над целью около 3-х часов, производя бомбометание и обстрел войск противника, не давая возможность восстанавливать переправу. Противник открыл яростный огонь, но умелый манёвр лётчика-ночника всегда выводил из-под зенитного огня самолёт невредимым. В эту ночь товарищ Ефремов совершил 3 успешных боевых вылета», – говорится в представлении гвардии капитана В.С. Ефремова к званию Героя Советского Союза.
Особенно результативным для него оказался ноябрь 1942 года – период решающих боёв за Сталинград. За этот месяц он совершил 24 боевых вылета. На железнодорожных узлах Абганерово, Тундутово, Кривомузгинская разбил 4 эшелона противника с боеприпасами, эшелон с танками, 5 паровозов, 10 цистерн с горючим…
«Отличный боевой лётчик-ночник, не знающий страха и усталости в борьбе с немецкими оккупантами…», – подчёркивал в наградном листе командир полка гвардии майор З.П. Горшунов.
На новом типе бомбардировщика А-20Б, спроектированного и построенного американской компанией «Дуглас», участвовал в освобождении Донбасса. Получив в Москве семь самолётов А-20Ж, начал воевать на этом типе. Освобождал Мелитополь и Никополь. В боях за Крым совершил 10 боевых вылетов, участвовал в освобождении Севастополя. 10-й гвардейский бомбардировочный авиационный полк был награждён орденом Красного Знамени.
За образцовое выполнение боевых заданий Командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 мая 1943 года гвардии капитану Ефремову Василию Сергеевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда»*.
За образцовое выполнение боевых заданий Командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками, дающее право на получение звания Героя Советского Союза, Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 августа 1943 года гвардии капитан Ефремов Василий Сергеевич награждён второй медалью «Золотая Звезда».
Осенью 1944 года был отозван с фронта для обучения в Военно-воздушной академии (Монино).
В мае 1949 года окончил Военно-воздушную академию (Монино). С августа 1949 – заместитель командира 277-го бомбардировочного авиационного полка (в Прикарпатском военном округе; город Станислав, ныне Ивано-Франковск, Украина), в июле 1950 – марте 1953 – заместитель командира 668-го бомбардировочного авиационного полка (в Прикарпатском военном округе; город Коломыя ныне Ивано-Франковской области, Украина). Летал на бомбардировщиках А-20 «Бостон» и Ил-28. Военный лётчик 2-го класса (02.1953).
В марте – мае 1953 – старший лётчик-инспектор бомбардировочной авиации 48-й воздушной армии (в Одесском военном округе; город Одесса, Украина). Летал на реактивном бомбардировщике Ил-28.
В августе 1953 – январе 1954 – лётчик-инспектор по технике пилотирования и теории полёта 132-й бомбардировочной авиационной дивизии (в Прикарпатском военном округе; город Станислав, ныне Ивано-Франковск, Украина), в январе – июне 1954 – заместитель командира 277-го бомбардировочного авиационного полка (в Прикарпатском военном округе, город Станислав, ныне Ивано-Франковск, Украина). Летал на реактивном бомбардировщике Ил-28.
Затем служил в 4-м Центре боевого применения ВВС (город Воронеж): старшим лётчиком-инспектором (июнь – октябрь 1954), старшим ведущим лётчиком по исследованию вопросов техники пилотирования (октябрь 1954 – июль 1956), лётчиком-испытателем отдела исследования боевого применения бомбардировочной авиации (июль 1956 – сентябрь 1958) и старшим ведущим офицером по исследованию боевого применения бомбардировочной авиации (сентябрь 1958 – ноябрь 1960). Провёл ряд исследовательских работ на реактивных бомбардировщиках Ил-28 и Як-28. С ноября 1960 года подполковник В.С. Ефремов – в запасе.
15 октября 1967 года во время торжественного открытия памятника-ансамбля «Героям Сталинградской битвы» в Волгограде зажёг факел от Вечного огня на площади Павших борцов и доставить его на Мамаев курган.
Жил в городе Киев (Украина). Умер 19 августа 1990 года. Похоронен в Волгограде на Мамаевом кургане.
Награждён 2 орденами Ленина (30.08.1942; 01.05.1943), орденом Красного Знамени (06.11.1941), 2 орденами Отечественной войны 1-й степени (21.05.1944; 11.03.1985), 2 орденами Красной Звезды (06.11.1941; 15.11.1950), медалью «За боевые заслуги» (03.11.1944) и другими медалями.
Почётный гражданин Волгограда (07.05.1980).
Бронзовый бюст В.С. Ефремова установлен в Волгограде.