Родился 28 сентября (10 октября) 1863 года в семье штабного офицера, получившего в 1864 году чин капитана, А. А. Обручева (1833—1881), в селе Клепенино Ржевского уезда, Тверской губернии[6] — имении деда А. А. Обручева (1796—1866), который был генералом, получившим за службу в Польше польские земли. Прадед А. Ф. Обручев (1760—1827) был строителем военных крепостей на западных границах России[7]. Мать — дочь лютеранского пастора Полина Карловна. Владимир был вторым ребёнком в семье.
Брат отца — генерал-майор В. А. Обручев.
Сестра отца — Мария Александровна — первая в России женщина-офтальмолог, биолог-эволюционист, работавшая в палеонтологии и геологии. Была женой академика И. М. Сеченова. Сеченовы радушно принимали Володю Обручева в родовом имении Клепенино, где он пользовался обширной семейной библиотекой.