Владимир Николаевич Челомей родился 30 июня 1914 года в на территории Польши, однако в младенческом возрасте был вывезен родителями в Полтаву. Своей родиной он считал Украину. В Полтаве он окончил 7-летнюю трудовую школу, в 1932 году — выпускник Киевского автомобильного техникума, а в 1937 — окончил Киевский авиационный институт. С 1937 года работал в Киевском авиационном институте преподавателем. Два года спустя стал кандидатом технических наук. В 1939-1940 гг. работал в Институте прикладной математики АН УССР.

В 1940-м В. Н. Челомей переехал в Москву для обучения в докторантуре АН СССР. С 1941 г. работает в Центральном институте авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, где создал пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), идея которого сформировалась у него еще в студенческие годы (1942).

С 1955 года — главный конструктор ОКБ-52 (1955), разрабатывал крылатую ракету со складным крылом для ВМФ. С 1958 г. в его КБ работал Сергей Хрущев — сын генерального секретаря Н.С. Хрущева. С 1959 года — генеральный конструктор авиационной техники.

В. Н. Челомей предложил и реализовал в конструкциях идею раскрытия крыла ракеты в воздухе, что позволило размещать крылатые ракеты на кораблях в малогабаритных контейнерах. В конце 1950-х гг. после одобрения Н.С. Хрущевым планов разработки МБР к его работам были привлечены коллективы В.М. Мясищева и П.О. Сухого. В 1962 г. представил на заседании Совета обороны свои предложения по запуску орбитальной станции с экипажем из нескольких человек. Во второй половине 1960-х гг. выполнил проработки ракеты-носителя и космического корабля для полета на Луну; в 1969 им представлен подробный проект для полета на Марс.

Под его руководством разработаны РН и ИСЗ «Протон», ИСЗ «Полет», «Космос-1267» и др., боевые орбитальные станции «Салют». После смещения Н.С. Хрущева комиссия приняла решение о закрытии части проектов.

Лауреат трех Государственных премий СССР (1967, 1974, 1982), академик АН СССР (1962). Действительный член Международной академии астронавтики (1974).