Родился в городе Карачеве Брянской области. В юности готовился к военной службе, много занимался спортом, мечтал стать генералом. Со временем также увлёкся кино. В 1941 году окончил Ростовское военно-артиллерийское училище, где прошёл кавалерийскую подготовку.
В начале Великой Отечественной войны был направлен в город Гайсин Киевского военного округа, в места формирования 189-й стрелковой дивизии. В звании лейтенанта был определён командиром артиллерийской батареи. Во время одного из боёв получил осколочное ранение в ногу и попал в госпиталь. Через несколько дней госпиталь был захвачен нацистами. В ту же ночь вместе с двумя другими ранеными Чеботарёв совершил побег.
Долго пробирался через Украину на линию фронта. Некоторое время жил на хуторе Крамаренки, где его выхаживала одна из местных семей под видом родственника. Затем кто-то донёс на него в гестапо, Владимира арестовали и направили в лагерь для военнопленных, откуда ему также удалось бежать спустя полгода. По пути он встретил советских разведчиков, которые доставили его в отдел контрразведки «Смерш». Оттуда был направлен на фронт в качестве командира запасного полка. Войну закончил в Будапеште в 1945 году.
В. А. Чеботарёв окончил режиссёрский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (мастерская Михаила Ромма) в 1952 году. После окончания ВГИКа работал на Ленинградской киностудии научно-популярных фильмов и киностудии «Ленфильм». С 1963 года работал на «Мосфильме».
В числе наиболее известных работ Чеботарёва — советский фантастический кинофильм «Человек-амфибия», снятый в 1961 году совместно с режиссёром Геннадием Казанским, один из самых кассовых советских фильмов (11 место в общем рейтинге), обладатель приза «Серебряный парус» на фестивале фантастических фильмов в Триесте (Италия, 1962). По словам Владимира Александровича, Казанский в съёмках участия фактически не принимал; его прислали «для дисциплины... вроде следить за мной» из-за его романа с моделью Адой Сергеевной, будущей женой, о котором недоброжелатели донесли директору «Ленфильма».
В картине «Человек-амфибия» впервые в истории советского кинематографа съёмки проводились на дне Чёрного моря. Хотя Чеботарёв уже имел опыт погружения с аквалангом, он вместе с кинооператором Эдуардом Розовским потратил год на подготовку, занимаясь подводным плаванием под руководством чемпионов страны, и в общей сложности провёл 260 часов под водой. Актёры также прошли подготовку с инструкторами, и в итоге снимались без дублёров.
Последние 17 лет жизни пытался поставить фильм «Сталин и Тухачевский» о трагической судьбе советского маршала Михаила Тухачевского, сценарий к которому написал ещё в 1993 году на основе архивных документов. Замысел, однако, так и не был реализован из-за нехватки средств.
За несколько дней до смерти свет увидела автобиографическая книга Владимира Чеботарёва «От "Человека-амфибии" до "Батальоны просят огня"».
Похоронен на Востряковском кладбище, рядом с женой.
