Родился 31 января 1872 в деревне Крынки Белыничского района Могилевской губернии Российской империи в семье мелкого арендатора. Имение Крынки находилось в трех километрах к северу от д. Техтин и 20 км от Белыничей Могилевской области. Семья часто меняла место жительства. Отец служил в днепровском пароходстве и часто брал сына в плавание по Днепру, Припяти и Сожу. Некоторое время художник жил в Киеве у старшего брата Александра.
Учился сначала в Киевском кадетском корпусе, затем перешел в Киевскую рисовальную школу Мурашко Н. И.(1885-1889), позже уехал в Москву и поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества на курс к преподавателям Коровину С. А., Поленову В. Д., Прянишникову И. М.
В Москве художник познакомился с И. Левитаном, работал в его мастерской. Под влиянием педагогов увлекся пейзажем. В 1892 году П. М. Третьяков приобретает для своей галереи полотно «Из окрестностей Пятигорска».
С 1897 года Бялыницкий-Бируля демонстрирует свои картины на выставках Московского общества любителей художеств и Московского товарищества художников, на Международных выставках и конкурсах. С 1899 года имя художника появляется в каталогах передвижных выставок. Пейзаж «Вечные снега», экспонировавшийся на Кавказской юбилейной выставке в 1901 году, отмечается золотой медалью.
В 1904 году Бялыницкого-Бирулю избирают членом Товарищества передвижников, а через четыре года он удостаивается звания академика живописи. Является также членом Союза русских художников и Общества художников имени А. И. Куинджи. В 1911 году картина «Час тишины» получила две медали: почетную — в Мюнхене, бронзовую — в Барселоне.
В том же году им создана картина «Зимний сон» — одно из лучших полотен В. К. Бялыницкого-Бирули. За эту картину художник также был награжден бронзовой медалью на Международной выставке в Барселоне.
В 1912 году художник приобрел участок земли в Тверской губернии на берегу озера Удомля, недалеко от мест, где часто работал Левитан, и построил здесь дом с мастерской. Свою небольшую усадьбу он назвал «Чайка». С «Чайкой» связана большая часть творческой и личной жизни мастера. Озеро Удомля и его окрестности стали неисчерпаемым источником мотивов для его дальнейшего творчества. Члены партии и правительства приезжали на охоту в это имение, оставленное художнику как личная собственность.
В 1917 году Бялыницкий-Бируля организовал художественную школу для крестьянских детей. В живописи продолжает развивать традиции «русского импрессионизма», подобно Грабарю, Юону и Бакшееву.
В 1922 году Бялыницкий-Бируля становится членом Ассоциации художников революционной России. В советское время он продолжает развивать традиции русского лирического пейзажа конца XIX века, становится одним из создателей жанра мемориального пейзажа.
В 1920-е и 1930-е годы художник много путешествует по стране. Его интересуют первые опыты реконструкции сельского хозяйства в совхозе «Гигант» и коммуне «Сейбит», строительство «Азовстали», преобразование Севера. В 1933, 1935 и 1937 годах он побывал в Заполярье, чему посвящены несколько серий пейзажей.
В 1936 году художник посещает пушкинские места — Михайловское и Тригорское — и привозит оттуда целую серию картин. Побывав в усадьбе Чайковского в Клину, он выставляет новые пейзажи — уголки природы, которые любил классик русской музыки. Пишет также серии пейзажей Горок Ленинских, Гори и Ясной Поляны. В 1937 году удостоен звания «Заслуженный деятель искусств РСФСР».
Тема Великой Отечественной войны отмечена в творчестве художника картинами «Красная Армия в лесах Карелии», «По следам фашистских варваров» (1942).
В 1947 году ему присвоили звание народного художника РСФСР (звание народного художника Белорусской ССР он получил в 1944 году), избрали действительным членом Академии художеств СССР. С мая и до середины июня художник жил и работал на Белой даче в окрестностях Минска. Здесь он написал несколько десятков этюдов, которые стали основой цикла картин, посвященных Белоруссии. В окрестностях Минска был найден мотив для картины «Беларусь. Вновь зацвела весна».
Несколько работ художника находятся в Третьяковской галерее:
«Из окрестностей Пятигорска» (1892), «Весна» (1911), «Лед прошел» (1930), «Задумчивые дни осени» (1932—1942), «Нивогэс» (1936-1937), «Белоруссия. Вновь зацвела весна» (1947).
Его картины находятся также в музеях Костромы, Нижнего Новгорода, Красноярска, Воронежа, Томска, Челябинска, Ставрополя, Семея, Сочи, Одессы, Днепропетровска, Киева, Минска (Национальный художественный музей Республики Беларусь), Могилева и Белынич.
В Белыничах и Могилеве действуют два художественных музея имени академика живописи Бялыницкого-Бирули В. К., где экспонируются десятки полотен художника.
В Белыничском районе постоянно проводятся пленэры с участием художников из Минска, Могилева, Белынич, Москвы, Костромы после чего значительно пополняются фонды художественных музеев.
В городском поселке Белыничи и Могилеве именем знаменитого живописца названы улицы.
На месте бывшего фольварка Крынки (уд. Техтин), где родился художник, установлен мемориальный знак.
В Могилеве у музея имени Бялыницкого-Бирули установлен бюст художника.
Бялыницкому-Бируле посвящена книга Виктора Карамазова белор. «Крыж на зямлі і поўня ў небе : Эскізы, эцюды і споведзь Духу, альбо Аповесць-эсэ жыцця жывапісца і паляўнічага Бялыніцкага-Бірулі» («Крест на земля и месяц в небе») (1991).
Крест на земле и луна в небе (фильм по мотивам повести Виктора Карамазова «Крыж на зямлі і поўня ў небе : Эскізы, эцюды і споведзь Духу, альбо Аповесць-эсэ жыцця жывапісца і паляўнічага Бялыніцкага-Бірулі») (реж. Валерий Басов, «Национальная телерадиокомпания Беларуси») (1992).
Народный художник БССР (1944) и РСФСР (1947), действительный член Академии художеств СССР (1947).
Член Товарищества передвижных художественных выставок (с 1904), Союза русских художников, АХРР (с 1922).
