Nabokov entstammte einer einflussreichen und wohlhabenden Aristokratenfamilie. Sein Großvater war russischer Justizminister, und sein Vater Wladimir Dmitrijewitsch Nabokow war als Politiker an der republikanischen Regierung nach dem Sturz des Zaren beteiligt, der die Revolution ein Ende setzte.

Nach einer Kindheit in materiellem Wohlstand veröffentlicht Nabokov 1916 seinen ersten Gedichtband. Um der russischen Revolution zu entgehen, flieht die Familie Nabokov 1917 nach Jalta auf die Halbinsel Krim. Während seine Familie von dort wie zahlreiche andere russische Exilanten nach Berlin geht, wo sie über zehn Jahre verbringt, schreibt Vladimir sich im Trinity College im englischen Cambridge ein. Dort studiert er von 1919 bis 1922 Naturwissenschaften, russische und französische Literatur. 1922 folgt er der Familie nach Berlin. Er arbeitet als Privatlehrer, Übersetzer, Gelegenheitsschauspieler und veröffentlicht unter dem Pseudonym W. Sirin erste Prosa. 1925 heiratet er Vera Slonim.

1937 flieht Vladimir Nabokov mit seiner Frau, die Jüdin ist, und dem gemeinsamen Sohn Dimitri (geboren 1934) nach Frankreich. 1940, in dem Jahr, in dem auch Nabokovs erster englischsprachiger Roman The Real Life of Sebastian Knight entsteht, zieht die Familie in die USA, wo Nabokov zunächst am Museum of Natural History in New York als Schmetterlingsexperte arbeitet. Bald beginnt er seine akademische Karriere, die ihn an die Stanford-Universität, an das Wellesley College, an die Harvard-Universität und schließlich 1948 an die Cornell Universität führt, die ihm eine Professur für europäische und russische Literatur anbietet. Ab 1945 ist Nabokov US-Staatsbürger.

Mit den Tantiemen, die ihm sein Roman Lolita (1955) einbringt, kann Nabokov sich 1959 von seiner Professur zurückziehen und sich allein aufs Schreiben konzentrieren. Diese skandalöse Geschichte einer amour fou zwischen einem alternden Mann und der minderjährigen Tochter seiner Vermieterin durfte erst 1958 in den USA erscheinen. Der Roman war Nabokovs größter Erfolg, er wurde zweimal verfilmt. Inspiriert wurde der Roman möglicherweise von einer 1916 veröffentlichten Kurzgeschichte des deutschen Journalisten Heinz von Lichberg, die starke Parallelen aufweist. Zudem wies Peter Hacks Einflüsse durch Curt Goetz nach (ders., Pasiphae. Was ist das hier?, Berlin: 2003, S. 60). Ein Einfluss Nabokovs wiederum findet sich u.a. in der Erzählung „Rudolfio“ von Valentin Rasputin.

1961 zieht er mit seiner Frau in die Schweiz, nach Montreux am Genfersee. Er stirbt am 2. Juli 1977 in Lausanne und liegt in Clarens begraben.