Владимир Арсеньев родился 10 сентября 1872 года в Петербурге. Его отец Клавдий Арсеньев был выходцем из тверских крепостных, дослужился до заведующего движением Московской окружной железной дороги, был удостоен почетного звания потомственного гражданина Санкт-Петербурга.

Все десять детей Арсеньевых зачитывались романами Жюля Верна, восхищались первооткрывателями Николаем Пржевальским, Геннадием Невельским, Петром Семеновым-Тян-Шанским, Николаем Миклухо-Маклаем. Дядя с материнской стороны, Иоиль Кашлачев, был страстным любителем природы. Именно с ним Владимир Арсеньев ездил в первые экспедиции по реке Тосне под Петербургом.

По примеру своих вдохновителей — путешественников-офицеров Пржевальского и Невельского, Арсеньев избрал военную карьеру. В 1891 году он поступил в 145-й Новочеркасский пехотный полк, а два года спустя — в Петербургское пехотное юнкерское училище. В 1896-м Владимира Арсеньева — уже в чине подпоручика — направили служить в 14-й Олонецкий пехотный полк, расквартированный в польском городе Ломжа. В 1900 году Арсеньев подал прошение о переводе на почти не изученный в то время Дальний Восток, и его перевели в 1-й Владивостокский крепостной пехотный полк. В следующие годы офицер-путешественник ходил в короткие экспедиции по Дальнему Востоку, в 1900–1905 годах он обследовал весь юг Приморья. Уже тогда Арсеньев не только наносил на карту то, что полагалось по заданию военного начальства, но и описывал флору и фауну, археологические находки и этнографические особенности местности.

Во время Русско-японской войны 1904–1905 годов Арсеньев участвовал в разведывательных операциях, был награжден орденами Святой Анны 3-й и 4-й степени и Святого Станислава 3-й и 2-й степени