В. В. Марковников родился 22 декабря 1838 года в деревне Черноречье близ Нижнего Новгорода. Отец его был офицером батальона, стоявшего в Черноречье. Вскоре после рождения В. В. Марковников был перевезен отцом в село Ивановское Княгининского уезда Нижегородской губернии, где и прошло все его детство. После того как научился грамоте, он очень скоро перешел к самостоятельному чтению и читал все, что попадалось под руку, — от «Еруслана Лазаревича», «Битвы русских с кабардинцами» до руководства по тактике, которое лежало неразрезанным на столе у отца.
Среднее образование Владимир Васильевич получил в Нижегородском Александровском дворянском институте. В 1856 году В. В. Марковников по окончании института поступил на камеральное отделение юридического факультета Казанского университета. Камералисты кроме юридических наук изучали технологию, сельское хозяйство и химию. «Камеральный факультет» — вспоминал В. В. Марковников, — дал мне основы для изучения и понимания явлений в области экономической и промышленной, чего совершенно не дал бы мне факультет естественный, и этими основами мне нередко приходилось пользоваться».
На третьем курсе В. В. Марковников приступил к занятиям в химической лаборатории и одновременно начал слушать лекции по химии А. М. Бутлерова, только что вернувшегося из заграничной командировки.
В 1860 году В. В. Марковников окончил университет со степенью кандидата по камеральному отделению. По представлению А. М. Бутлерова он был оставлен при университете и в том же году назначен лаборантом при химической лаборатории. В. В. Марковников работает над изомерией масляных кислот, предсказанной теорией строения. Изомерами в химии называются сложные вещества, построенные из одних и тех же элементов, обладающие одинаковым молекулярным весом, но при всем том обладающие различными физическими и химическими свойствами. Чем сложнее состав вещества, тем больше изомеров его может существовать. Теория строения дает возможность предсказать, сколько таких изомеров может быть. Чтобы проверить выводы теории строения, необходимо было получить как можно больше предсказываемых ею изомеров. В. В. Марковников поэтому и занялся получением изомеров кислот.
В 1862 году, ввиду болезни А. М. Бутлерова, В. В. Марковникову было поручено чтение неорганической, а в следующем году и аналитической химии. Уже в 1863 году В. В. Марковников сдал экзамен на магистра химии, а через два года представил и блестяще защитил магистерскую диссертацию.
После этого В. В. Марковников был командирован на два года за границу.
В. В. Марковников слушал лекции в Гейдельбергском и Берлинском университетах и работал в лаборатории Г. Кольбе в Лейпциге. В отличие от других практикантов Лейпцигской лаборатории, он был на особом положении, и руководитель лаборатории Г. Кольбе величал его не иначе как Herr Doktor.
В своих воспоминаниях В. В. Марковников так рисует состояние теоретической органической химии в Германии: «Мое положение в лаборатории Кольбе, — пишет он, — было несколько иное, чем всех остальных. Уже три года, как я был магист — ром и работал на собственные темы. Уже в первый год по приезде в Германию я убедился, что Казанская лаборатория в теоретическом отношении далеко опередила все лаборатории Германии, курсы же лекций были слишком элементарны. Не особенно много также пришлось пользоваться и практическими указаниями профессоров, и если я остался в германских лабораториях, то лишь потому, что за границей вся жизнь сложена так, чтобы время тратилось более производительно».
В. В. Марковников был увлечен разработкой идеи о взаимном влиянии атомов в химических соединениях.
В 1867 году заграничная командировка В. В. Марковникова была продлена на полгода, и он воспользовался этим для более широкого ознакомления с западноевропейской химической промышленностью. С этой целью в августе 1867 года В. В. Марковников посетил Всемирную выставку в Париже.
В это же время он был избран советом Казанского университета доцентом по кафедре химии. Не дожидаясь конца командировки, В. В. Марковников вернулся в Казань и приступил к преподаванию химии, заменив уехавшего в заграничную командировку А. М. Бутлерова.
Весною 1869 года В. В. Марковников блестяще защитил в Казанском университете докторскую диссертацию.
В. В. Марковников устанавливает ряд закономерностей или, как он говорил, «правил». Диссертация В. В. Марковникова открывала химикам пути точного научного предсказания течения химических реакций.
А. М. Бутлеров, который был первым оппонентом на диспуте, дал диссертации В. В. Марковникова самую высокую оценку и, принимая во внимание ее исключительное значение, выразил пожелание, чтобы труд В. В. Марковникова был переведен на один из иностранных языков. В ответ на это В. В. Марковников гордо заявил:
«Если высказываемые здесь мысли представляют интерес, то желающие могут пользоваться этим русским сочинением».
Вскоре после защиты докторской диссертации В. В. Марковников в связи с переходом А. М. Бутлерова в Петербург стал заведующим лабораторией.
В мае 1869 года он был избран советом университета экстраординарным профессором, а в марте 1870 года — ординарным профессором по кафедре химии. В Казани В. В. Марковников оставался недолго. Уже в конце 1871 года он получил предложение совета Новороссийского университета занять кафедру химии.