Владимир Гостюхин родился 10 марта 1946 года в городе Свердловск. Отец Владимира Гостюхина - Василий Павлович - руководил Домом культуры в Алапаевске, работал в Уральском народном хоре, мать - актриса самодеятельного театра.
Сам же Владимир окончил радиотехникум, работал на Центральном стадионе Свердловска электриком, затем главным энергетиком. Увлекшись театром, уехал в Москву, окончил Государственный институт театрального искусства имени Луначарского в 1970 году.
После службы в армии работал в Центральном академическом театре Советской Армии. В 1982 году ему присвоено звание Заслуженного артиста России и вручен приз за лучшую мужскую роль (Виктор Белов в фильме «Охота на лис») на международном кинофестивале в Сан-Ремо. В этом же году Владимир переехал в Минск и с тех пор работает в Минском Театре-студии киноактера.
В 1988 и 1989 годах на кинофестивалях «Созвездие» в Калинине Гостюхин признан лучшим актером СССР. В 1990 году удостоен приза за лучшую мужскую роль (фильм «Наш бронепоезд») на международном кинофестивале в Сопоте. В 1996 году ему присвоено звание Народного артиста Белоруссии.
В настоящее время фильмография актера включает около 100 киноработ, среди которых наиболее известны его роли в картинах: «Хождение по мукам», «Восхождение», «Старшина», «Охота на лис», «Контракт века», «В поисках капитана Гранта», «Наш бронепоезд», «Мещерские», «Дальнобойщики», «Пепел» и других.