Владимир Машков родился 27 ноября 1963 года в Туле. Отец, Лев Петрович Машков, был актёром Новокузнецкого кукольного театра, а мать, Наталья Ивановна Никифорова, в 1960—2015 годы работала главным режиссёром этого театра. Бабушка по материнской линии была итальянкой из Швейцарии. Она приехала в Россию работать учительницей, здесь вышла замуж и родила дочь Наташу — будущую мать актёра. У Владимира есть старший единоутробный брат Виталий, родившийся в первом браке его матери. В середине 1960-х годов семья Машковых переехала в Новокузнецк, а в начале 1980-х годов Владимир Машков поступил на биологический факультет Новосибирского государственного университета, но, изменив решение, через год он поступил в Новосибирское государственное театральное училище (ныне — Новосибирский государственный театральный институт).

В 1984 году Владимира исключили из училища за драку. Однако, Машков не смирился, и отправился в Москву, где поступил в Школу-студию МХАТ, в мастерскую Михаила Тарханова. Оттуда его тоже выгнали за излишне буйный нрав, и он устроился декоратором во МХАТ.

Вскоре после этого Владимир Машков стал заниматься у Олега Табакова, а позже — играть в театре, которым тот руководил.

Дебют Владимира Машкова в кино состоялся в 1989 году, в фильме «Зелёный огонь козы». В этом же году он снялся в фильмах «Делай — раз!» и «Любовь на острове смерти».

В 1990 году окончил Школу-студию МХАТ (курс Олега Табакова).

Звёздным для Владимира Машкова стал 1994 год, когда он исполнил главные роли в фильмах молодых российских режиссёров: в фильме «Лимита» Дениса Евстигнеева и в фильме «Подмосковные вечера» Валерия Тодоровского. В 1995 году актёр снялся в фильме «Американская дочь» Карена Шахназарова. Неоднократно снимался в голливудских фильмах, обычно в ролях «плохих русских».

Выступил как театральный режиссёр, поставив на сцене Московского театра-студии под руководством Олега Табакова спектакли «Звёздный час по местному времени», «Страсти по Бумбарашу» и «Смертельный номер». На сцене МХТ имени А. П. Чехова поставил спектакль «№ 13», а в Театре «Сатирикон» — спектакль «Трёхгрошовая опера».

В 1997 году Владимир Машков сыграл главную роль в фильме «Вор», впоследствии номинированном на премию «Оскар».

Член партии «Единая Россия», делегат XII-го Съезда партии.

В 2011 году на фестивале детских любительских театров кукол Сибирского региона «Кукла в детских руках» в Новокузнецке Владимир Машков объявил об учреждении премии «Золотой львёнок» имени Натальи Ивановны Никифоровой (его мамы). Эту именную премию артист будет вручать по итогам года за лучшую мужскую и лучшую женскую роль. Первую награду получила артистка театра кукол «Сказ», заслуженная артистка РФ Галина Романова.