Родился 20 июня 1940 года в Севастополе в семье контр-адмирала Бориса Леонидовича Коренева.
Детство Владимира Коренева прошло в Измаиле, позже семья переехала в Таллин, где у него проявился интерес к литературе и театру. Одноклассница Лариса Лужина привела Владимира в драмкружок, которым руководил актёр Русского драматического театра Иван Данилович Россомахин. В кружке также занимались будущие актёры Виталий Коняев, Игорь Ясулович и Лилиан Малкина. Спектакли, поставленные под руководством Ивана Даниловича, показывали не только на школьной, но и на профессиональной сцене. После окончания школы Владимир Коренев избрал профессию актёра и в 1957 году он поступил в ГИТИС в мастерскую народного артиста РСФСР Григория Конского и народной артистки СССР О. Н. Андровской, учеников Станиславского и Немировича-Данченко.
Он учился на последнем курсе, когда из Ленинграда в Москву приехал ассистент по актерам подыскивать исполнителя на главную роль в фильме «Человек-амфибия» (режиссеру В. Чеботареву на роль Ихтиандра нужен был артист, которого никто не знает). После выхода фильма (который стал лидером советского кинопроката 1962 года), Владимир Коренев стал знаменит как «Человек-Амфибия», став секс-символом страны.
В 1961 году пришёл в труппу Московского драматического театра им. К. С. Станиславского, куда его пригласил Михаил Михайлович Яншин, руководивший театром в то время. С тех пор Владимир Коренев — ведущий артист этого театра[2].
До 2015 года — профессор, художественный руководитель факультета театрального искусства ИГУМО. После окончания 2014-2015 учебного года факультет расформирован ввиду отсутствия прибыли.
Женат с 1961 года, жена — актриса Алла Константинова, дочь — актриса Ирина Коренева, внук — Егор Коренев.