Владимир Мотыль родился в белорусском городке Лепель в еврейской семье. Его отец — уроженец местечка Гостынич Варшавской губернии, слесарь минского завода «Коммунар» Яков Давыдович (Данилович) Мотыль (1901—1931) — через три года после рождения сына (6 мая 1930 года) был арестован по обвинению в шпионской деятельности и отправлен в лагерь на Соловки, где спустя менее чем год погиб. Мать — выпускница Петроградского педагогического института имени А. И. Герцена Берта Антоновна Левина — работала воспитательницей в колонии для малолетних преступников под руководством А. С. Макаренко и впоследствии завучем детского дома для детей репрессированных в городе Оса Пермской области.

Детские годы Владимир Мотыль провёл с матерью в ссылке на Урале. Дед и бабушка по материнской линии также были сосланы на Дальний Восток, а после возвращения в Белоруссию погибли в гетто в годы немецкой оккупации.

Закончил актёрское отделение Свердловского театрального института (1948) и исторический факультет Свердловского университета (1957, заочно). Работал режиссёром Свердловского драматического театра, затем актёром и режиссёром в театрах в Сталиногорске (ныне Новомосковск Тульской области) и в Нижнем Тагиле. С 1955 года — главный режиссёр Свердловского театра юного зрителя. В 1957—1960 был режиссёром Свердловской киностудии.

Свой первый самостоятельный фильм, «Дети Памира», снял в 1963 на Таджикской киностудии. В 1967 снял комедию на военную тему «Женя, Женечка и „катюша“», по сценарию, написанному совместно с Булатом Окуджавой. Всенародную известность В. Мотылю принёс приключенческий фильм «Белое солнце пустыни». В 1975 году В. Мотыль выпускает исторический фильм «Звезда пленительного счастья» о судьбах декабристов. Музыку к этим трем самым известным фильмам Владимира Мотыля, а также к ещё трем картинам Владимира Мотыля, написал его друг Исаак Шварц.

В 1976—1985 годах В. Мотыль — художественный руководитель Студии художественных фильмов творческого объединения «Экран» телецентра «Останкино». В 1990-е годы часто выступал как художественный руководитель в фильмах молодых режиссёров. В 1999 году выбран председателем жюри IX МКФ «Послание к Человеку».

Лауреат Государственной премии Таджикской ССР им. А. Рудаки (1964, за фильм «Дети Памира»); Почетный гражданин города Душанбе (1977); Заслуженный деятель Таджикистана (1997). Награждён орденом Почёта (1996, за фильм «Белое солнце пустыни»). Лауреат Государственной премии РФ в области литературы и искусства 1997 года (1998, за фильм «Белое солнце пустыни»).

В 2004 году В. Мотыль приступил к съемкам фильма, действие которого основано на реальных фактах из жизни его родителей, под названием «Багровый цвет снегопада».

В 2006 году участвовал в создании книги «Автограф века».

5 февраля 2010 года ему стало плохо, когда он был дома один, и в этот же день режиссёр был госпитализирован с подозрением на инсульт в городскую клиническую больницу № 67. Первоначально у него подозревали инсульт, но в больнице медики обнаружили у режиссёра перелом шейных позвонков и пневмонию.

21 февраля 2010 года в Москве, примерно в 23 часа, Владимир Мотыль скончался. Ему было 82 года. Одной из последних его киноработ стал фильм «Багровый цвет снегопада», съёмки которого Мотыль закончил к своему 80-летнему юбилею.

Похороны состоялись 25 февраля 2010 года на Востряковском кладбище в Москве.

Владимир Мотыль был госпитализирован 5 февраля (2010 г.). Находясь дома, он потерял сознание, упал и получил перелом шейных позвонков.

В больнице у знаменитого кинорежиссера также была обнаружена пневмония. Состояние В. Мотыля, помещенного в реанимацию, врачи оценивали как крайне тяжелое. До 20 февраля он пролежал в реанимации, однако спасти его жизнь врачам не удалось. Он умер около 23.00 в воскресенье 21 февраля 2010 г.

Народный артист СССР Владимир Яковлевич Мотыль родился 26 июня 1927 года. Работал режиссёром Свердловского драматического театра, с 1955 года - главный режиссёр Свердловского театра юного зрителя. Как кинорежиссер снял всего 8 фильмов, первые три среди которых: "Женя, Женечка и "катюша"" (1967 год), "Белое солнце пустыни" (1969 год) и "Звезда пленительного счастья" (1975 год). В октябре 2009 года В. Мотыль завершил работу над картиной "Багровый цвет снегопада", ставшей его последним фильмом.