Wladimir Klitschko kam am 25. März 1976 im kasachischen Semipalatinsk (heute Semei) zur Welt. Als jüngerer von zwei Söhnen des ukrainischen Sowjet-Luftwaffenoberst Wladimir Rodionowitsch Klitschko hat er einen Teil seiner Kindheit auf einer Militärbasis verbracht, die nur hundert Kilometer von Tschnernobyl entfernt lag. 1986 wurde sein Vater zur Koordinierung von Hubschraubereinsätzen an den explodierten Reaktorblock abkommandiert, wobei er erhöhten Strahlendosen ausgesetzt war. 2011 verstarb sein Vater im Alter von 64 Jahren an einer durch die Strahlung verursachten Krebserkrankung.
Wladimir Klitschko besuchte verschiedene Garnison-Schulen für Kinder von Militärbediensteten. Nach Abschluss seiner Schulbildung studierte er Sportwissenschaft und Philosophie an der Pädagogischen Universität Hryhorij Skoworoda im ukrainischen Perejaslaw-Chmelnyzkyj. 2011 promovierte Klitschko in Sportwissenschaft an der Nationalen Taras-Schewtschenko-Universität Kiew. Bereits zu Schulzeiten ging er mehrmals wöchentlich zum Boxtraining. Seinem älteren Bruder Vitali nacheifernd brachte er es in seiner Zeit als Amateur-Boxer auf insgesamt 112 Siege bei nur 6 Niederlagen. 1993 wurde er Junioreneuropameister im Schwergewicht. 1996 sicherte er sich bei den Olympischen Spielen in Atlanta durch einen Sieg im Finale gegen den Tongaer Paea Wolfgramm die Goldmedaille im Superschwergewicht. Im selben Jahr wurde Klitschko vom Hamburger Boxstall „Universum Box-Promotion“ entdeckt und unter Vertrag genommen. Dies war der Beginn seiner Profikarriere.
Am 16. November 1996 bestritt Klitschko in Hamburg seinen ersten Profikampf gegen den Mexikaner Fabian Meza, den der Ukrainer durch ein K.O. in der ersten Runde gewann. Die folgenden 23 Kämpfe konnte er alle für sich entscheiden, davon 21 durch K.O. Erst am 05. Dezember 1998 musste Klitschko beim Kampf gegen den US-Amerikaner Ross Purity überraschend seine erste Niederlage hinnehmen. 1999 bezwang er in Köln den Deutschen Axel Schulz in der achten Runde und erkämpfte sich so den Europameistertitel. Am 14. Oktober 2000 sicherte er sich durch einen Punktsieg gegen den US-Amerikaner Chris Byrd den WBO- Weltmeistertitel. In der Zeit zwischen 2000 und 2003 konnte er seinen Titel insgesamt fünf Mal erfolgreich verteidigen, bevor er ihn am 08. März 2003 nach einer K.O.-Niederlage gegen den Südafrikaner Corrie Sanders wieder abgeben musste. Ein Jahr später bekam Klitschko die Chance, sich den WBO-Titel zurückzuholen, verlor jedoch gegen Lamon Brewster erneut durch technischen K.O. in der fünften Runde. Es sollte die vorerst letzte Niederlage in seiner Boxkarriere sein.
2004 trennte sich Wladimir Klitschko von seinem Boxstall „Universum Box-Promotion“ und gründete gemeinsam mit seinem Bruder Vitali die Promotionfirma „K2 Promotions“. Am 22. April 2006 erhielt er die nächste Chance, um einen WM-Titel zu kämpfen und dieses Mal nutzte er sie: Mit seinem K.O.-Sieg gegen Chris Byrd in der Mannheimer SAP-Arena sicherte sich Klitschko die Weltmeistertitel der Verbände IBF und IBO und gab diese seitdem nicht mehr aus der Hand. Am 07. Juli 2007 bestritt er einen Revanchekampf gegen den Herausforderer und seinen einstigen Bezwinger Lamon Brewster, der aufgrund seiner deutlichen Unterlegenheit in der sechsten Runde aufgab. Am 23. Februar 2008 bestritt Klitschko einen Titelvereinigungskampf gegen den russischen WBO- Weltmeister Sultan Ibragimow, bezwang diesen nach Punkten und eroberte somit auch den WM-Titel des dritten großen Boxverbandes WBO. Zwischenzeitlich war es Klitschkos älterem Bruder Vitali im Okotber 2008 gelungen, den WBC-Weltmeistertitel zu erobern, womit zum ersten Mal in der Geschichte des Profiboxens zwei Brüder gleichzeitig Schwergewichtstitelträger waren. Am 2. Juli 2011 traf Wladimir Klitschko beim "Showdown des Jahres" 2011 auf den Briten und WBA-Titelträger David Haye. Dem Kampf waren zahlreiche Provokationen und mehrfaches Aufschieben durch den Briten vorausgegangen. Klitschko gewann den Kampf nach Punkten und trug nun die WM-Titel der vier Boxverbände WBO, WBA, IBO und IBF. Zwischen 2008 und 2015 konnte er seine Titel insgesamt sieben Mal erfolgreich verteidigen – dabei siegte er fünf Mal durch K.O. Am 16. Juni 2011 erschien die Kino-Dokumentation „Klitschko“ des deutschen Regisseurs Sebastian Dehnhardt, in der die Klitschko-Brüder die Hauptprotagonisten waren.
Privat war Wladimir Klitschko zwischen 1996 und 1998 mit Alexandra Klitschko verheiratet. Seit 2013 ist er mit der US-Amerikanerin Hayden Panettiere verlobt. Im Dezember 2014 brachte Panettiere eine Tochter zur Welt.