Врач-терапевт, основатель клинической школы В. Н. Виноградов родился 12 марта (27 февраля по ст. ст.) 1882 года в г. Ельце Орловской губернии (ныне Липецкой области) в семье железнодорожного служащего.

После окончания гимназии он поступил на медицинский факультет Московского университета. С 3-го курса добровольцем ушел на русско-японскую войну, был военным фельдшером, награждён Георгиевским крестом 4-й степени. Вернувшись в Москву, завершил обучение на медицинском факультете (1907).

Работал в терапевтических клиниках, был заведующим кафедрами в медицинских вузах Москвы. Доктор медицинских наук (1925). Академик Академии медицинских наук СССР (1944). С 1943 года и до конца жизни заведовал кафедрой факультетской терапии 1-го Московского медицинского института, одновременно был главным терапевтом Лечебно-санитарного управления Кремля, лечащим врачом И. В. Сталина и многих членов Политбюро.  

В 1937 в качестве медэксперта по делу «антисоветского право-троцкистского блока» В. Н. Виноградов подписал заключение о «вредительских» методах лечения М. Горького врачами Д. Д. Плетневым и др. А в 1952 году в числе группы кремлевских врачей сам был арестован, вынужден был признать себя «английским шпионом». В тюрьме перенёс инфаркт. После освобождения (1953) продолжил работу в клинике и на кафедре.

В диагностике и лечении заболеваний В. Н. Виноградов использовал новейшие разработки. Он занимался наиболее острыми проблемами медицины. В начале своей деятельности – ранней диагностикой рака, туберкулезом лёгких и почек, проблемой сепсиса и др. 

В 30-е годы ввел в практику работы гастроскопию и бронхоскопию – методы, без которых в настоящее время невозможно представить полноценное обследование и лечение больного.

В годы Великой Отечественной войны разрабатывал методы лечения туберкулеза, нефрита, сепсиса, ревматизма, заболеваний печени и желудочно-кишечного тракта, гипертонической болезни, инфаркта миокарда, изучал проблему раневой дистрофии и лечения проникающих ранений грудной клетки.

В послевоенные годы внедрял методы радиоизотопной диагностики в лечении заболеваний щитовидной железы и органов системы кроветворения.

В 50-60-х годах Владимир Никитич сумел коренным образом изменить принципы лечения острого инфаркта миокарда в стране: во многом по его инициативе были организованы специальные бригады скорой медицинской помощи, палаты интенсивной терапии, специальная подготовка медперсонала.

В 1969 году за эффективную диагностику и организацию лечения больных инфарктом миокарда ему была посмертно присуждена Государственная премия СССР (совместно с П. Е. Лукомским, Е. И. Чазовым, З. И. Янушкевичусом и Б. П. Кушелевским).

Монографии В. Н. Виноградова до сих пор используются врачами при диагностике различных заболеваний. Он являлся одним из организаторов терапевтических съездов и конференций, был председателем Всесоюзного научного медицинского общества терапевтов. Награждён пятью орденами Ленина, орденом Трудового Красного Знамени, Георгиевским крестом 4-й степени, медалями. Заслуженный деятель науки РСФСР (1940). Герой Социалистического Труда (1957).

Умер 29 июля 1964 года, похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве. Именем В. Н. Виноградова названа клиника факультетской терапии Первого МГМУ им. И. М. Сеченова. В 2012 году в Ельце на здании Станции скорой медицинской помощи установлена мемориальная доска его памяти.