В університеті учителем Володимира Михалевича був академік АН УРСР Гнеденко Борис Володимирович — засновник і керівник відомої в усьому світі української школи з теорії ймовірностей. Перші наукові праці студента В. Михалевича, виконані під керівництвом академіка Б. В. Гнеденка, були присвячені дослідженню емпіричних функцій розподілу. Ще в студентські роки В. Михалевич опублікував три наукові статті (дві у співавторстві і одну самостійно) у «Докладах АН СССР». 1952 року закінчив механіко-математичний факультет Київського державного університету імені Шевченка за фахом математика.
Після закінчення університету у 1953 році Володимир Михалевич став аспірантом Б. В. Гнеденка. Але згодом разом з ще двома аспірантами Володимиром Королюком і Анатолієм Скороходом, був відряджений до Московського державного університету імені М. В. Ломоносова, де працювала всесвітньо відома школа, керована академіком А. М. Колмогоровим. Під керівництвом Коломогорова Михалевичем були виконані перші серйозні наукові дослідження.
У 1955—1994 роках — старший викладач, доцент, професор кафедри математичного аналізу і теорії ймовірностей Київського державного університету ім. Т. Г. Шевченка. Член КПРС з 1963 року.
1956 року успішно захистив кандидатську дисертацію «Застосування Байесовських процедур послідовного прийняття рішень в задачах статистичного контролю». 1968 року захистив докторську дисертацію «Застосування методів послідовного аналізу для оптимізації складних систем».
Одночасно з 1958 року — старший науковий співробітник, завідувач відділу обчислювального центру АН УРСР, з 1962 року — завідувач відділу і заступник директора з наукової роботи Інституту кібернетики АН УРСР. У 1982 році, після смерті директора Віктора Михайловича Глушкова, працював директором Інституту кібернетики імені Глушкова АН УРСР. У 1983—1994 роках — завідувач кафедри теоретичної кібернетики та методів оптимального керування МФТІ.
Був головним редактором наукового журналу «Кибернетика» (тепер «Кибернетика и системный анализ»).
З 1973 р. — академік АН УРСР, з 1984 р. — академік АН СРСР.
Виконував обов'язки академіка-секретаря відділення інформатики, обчислювальної техніки і автоматизації, члена Президії НАН України. Голова комісії системного аналізу АН СРСР (1987) та голова комісії системного аналізу при Президії НАН України з 1992 р.
Син — науковець-математик, кібернетик, доктор фізико-математичних наук Михайло Михалевич (1956—2009).
Володимиром Михалевичем особисто і в співавторстві опубліковано понад 200 наукових праць, у тому числі близько 20 монографій. Основні праці з теорії оптимальних рішень, розробки математичного апарату економічної кібернетики. Брав участь у створенні високопродуктивних ЕОМ, пакетів програм, формуванні напрямів розвитку інформатики.
Протягом усієї своєї діяльності Володимир Сергійович приділяв значну увагу підготовці кваліфікованих наукових кадрів, створив авторитетну наукову школу з оптимізації та системного аналізу.