En 1885 se graduó en física y matemáticas en la Universidad de San Petersburgo, prolongando su formación durante los dos años siguientes en diversas universidades europeas. A partir de 1890 fue profesor de mineralogía y cristalografía en la Universidad de Moscú, donde se doctoró en 1897. Miembro de la Academia Rusa de Ciencias desde 1912, trabajó para esta institución hasta su muerte. A la vez fue fundador (1918) y primer presidente de la Academia Ucraniana de Ciencias. Por éste y otros motivos es considerado tan compatriota por los ucranianos como por los rusos.
Vernadski fue discípulo de Vasili Vasilievich Dokuchaev (1840-1903), fundador de la edafología, quien le transmitió una comprensión integradora de la naturaleza. Eduard Suess, que también había sido influido por Dokuchaev, forjó la palabra biosfera sin llegar a definirla. Vernadski le dio al concepto su contenido actual, y es considerado como uno de los fundadores de la ecología y el padre de la visión moderna del sistema Tierra.
Concebía la Tierra como la superposición de cinco realidades integradas: la litosfera, entendida como esfera sólida de la Tierra; la atmósfera; la biosfera; la tecnosfera, el resultado de la alteración producida por el hombre; y la noosfera, la esfera del pensamiento. A la vez veía la historia del planeta como una evolución autónoma con tres etapas dominadas respectivamente por la evolución geológica, la evolución biológica y la evolución de la cultura. Vernadski observó la dependencia de la composición atmosférica con respecto a la actividad biológica, ofreciendo de la Tierra un concepto muy próximo al propuesto más tarde por James Lovelock con su hipótesis Gaia.
Vladimir Vernadski dejó una nutrida estela de seguidores en la Unión Soviética, la cual constituyó una escuela separada. La influencia de Vernadski en la ecología occidental se ha producido a través de algunos de sus discípulos, y de la traducción al inglés de dos de sus obras: Geoquímica (1924) y La biosfera (1926). Debe destacarse la influencia de sus nociones sobre Teilhard de Chardin, cuyo uso del concepto de noosfera deriva directamente del de Vernadski.
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