Родился в г. Седлец Привислинского края Российской империи (ныне Польша).
Окончив семилетнюю трудовую школу в г. Киев, в 1929 г. поступил учиться в Киевский автомобильный техникум. В 1932–1937 гг. учился на авиационном факультете Киевского политехнического института (с 1933 г. – Киевский авиационный институт), после окончания которого работал в Институте математики Академии наук УССР и учился в аспирантуре. В 1939 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 1941 г. назначен начальником группы реактивных двигателей Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова. В 1944 г. работал главным конструктором и директором опытного авиационного завода № 51. В 1948 г. начал заниматься наукой и преподаванием. В 1952 г. стал профессором Московского высшего технического училища имени Н.Э. Баумана. В 1955 г. возглавил механический завод в г. Реутов, где было создано Особо-конструкторское бюро-52 (ОКБ–52) Министерства авиационной промышленности. В 1958 г. избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. В 1959 г. назначен Генеральным конструктором ОКБ-52 (с 1965 г. – Центральное конструкторское бюро машиностроения Министерства общего машиностроения). В 1962 г. избран действительным членом Академии наук СССР. В 1961–1964 гг. возглавлял Совет главных конструкторов. В 1974 г. стал действительным членом Международной академии астронавтики. Участвовал в создании ряда двигателей и прочих важнейших объектов ракетной, космической и авиационной техники. Под его руководством были разработаны ракеты-носители «Протон», искусственные спутники Земли «Протон», «Полет», орбитальные станции серии «Алмаз», пилотируемый корабль ТСК и др. Внес большой вклад в развитие экономики, науки и культуры Чувашской АССР.
Вел большую общественно-политическую работу: являлся делегатом XXII, XXIV, XXV, XXVI съездов КПСС, избирался депутатом Верховного Совета СССР 9-го, 10-го, 11-го созывов (1974–1989).
Награжден орденами Ленина (пять раз), Октябрьской Революции и медалями. За большие заслуги в деле создания и производства новых типов ракетного вооружения, а также атомных подводных лодок и надводных кораблей, оснащенных этим оружием, и перевооружения кораблей Военно-Морского Флота в 1959 г., 1963 г.  дважды удостоен звания Героя Социалистического Труда, Лауреат Ленинской премии, Государственной премии СССР (трижды). За выдающиеся заслуги в области науки и техники, большой вклад в развитие экономики и культуры Чувашской АССР и г. Чебоксары 19 июня 1984 г. занесен в Почетную Книгу Трудовой Славы и Героизма Чувашской АССР.
Его именем названы улицы и площади в. г. Москва и г. Реутов (Московская область), малая планета солнечной системы. В г. Москва и г. Байконур установлены его бюсты. Учреждена медаль имени В.Н. Челомея, которой отмечаются деятели науки и техники за выдающиеся работы в области ракетно-космической техники.