Родился 31 января 1872 в деревне Крынки Белыничского района Могилёвской губернии Российской империи в семье мелкого арендатора. Имение Крынки находилось в трёх километрах к северу от деревни Техтин и 20 км от Белыничей Могилевской области.

Семья часто меняла место жительства. Отец служил в днепровском пароходстве и часто брал сына в плавание по Днепру, Припяти и Сожу. Некоторое время художник жил в Киеве у старшего брата Александра. Учился сначала в Киевском кадетском корпусе, затем перешёл в Киевскую рисовальную школу Мурашко Н. И.(1885—89), позже уехал в Москву и поступил в Московское училище живописи, ваяния и зодчества на курс к преподавателям Коровину С. А., Поленову В. Д., Прянишникову И. М.

В Москве художник познакомился с И. Левитаном, работал в его мастерской. Под влиянием педагогов увлекся пейзажем. В 1892 году П. М. Третьяков приобретает для своей галереи полотно «Из окрестностей Пятигорска».

С 1897 года Бялыницкий-Бируля демонстрирует свои картины на выставках Московского общества любителей художеств и Московского товарищества художников, на Международных выставках и конкурсах. С 1899 года имя художника появляется в каталогах передвижных выставок. Пейзаж «Вечные снега», экспонировавшийся на Кавказской юбилейной выставке в 1901 году, отмечается золотой медалью. В 1904 году Бялыницкого-Бирулю избирают членом Товарищества передвижников, а через четыре года он удостаивается звания академика живописи. Является также членом Союза русских художников и Общества художников имени А. И. Куинджи. В 1911 году картина «Час тишины» получила две медали: почётную — в Мюнхене, бронзовую — в Барселоне.

В том же году им создана картина «Зимний сон» — одно из лучших полотен В. К. Бялыницкого-Бирули. За эту картину художник также был награждён бронзовой медалью на Международной выставке в Барселоне. В картине использован минимум средств выражения. Лишь несколько плоскостей и небольшое число линий составляют её композицию. В центре картины располагается храм, очертания которого выступают на фоне неба. Мазок едва заметен. Всё будто окутано дымкой сгущающихся сумерек. Несмотря на лаконизм выразительных средств, картина эмоционально насыщена, что достигается искусной разработкой оттенков цветовых соотношений.

В 1912 году художник приобрёл участок земли в Тверской губернии на берегу озера Удомля, недалеко от мест, где часто работал Левитан, и построил здесь дом с мастерской. Свою небольшую усадьбу он назвал «Чайка». С «Чайкой» связана большая часть творческой и личной жизни мастера. Озеро Удомля и его окрестности стали неисчерпаемым источником мотивов для его дальнейшего творчества. Члены партии и правительства приезжали на охоту в это имение, оставленное художнику как личная собственность.

В 1917 году Бялыницкий-Бируля организовал художественную школу для крестьянских детей. В живописи продолжает развивать традиции «русского импрессионизма», подобно Грабарю, Юону и Бакшееву.

В 1922 году Бялыницкий-Бируля становится членом Ассоциации художников революционной России. В советское время он продолжает развивать традиции русского лирического пейзажа конца XIX века, становится одним из создателей жанра мемориального пейзажа. В 1920-е и 1930-е годы художник много путешествует по стране. Его интересуют первые опыты реконструкции сельского хозяйства в совхозе «Гигант» и коммуне «Сейбит», строительство «Азовстали», преобразование Севера. В 1933, 1935 и 1937 годах он побывал в Заполярье, чему посвящены несколько серий пейзажей.

В 1936 году художник посещает пушкинские места — Михайловское и Тригорское — и привозит оттуда целую серию картин. Побывав в усадьбе Чайковского в Клину, он выставляет новые пейзажи — уголки природы, которые любил классик русской музыки. Пишет также серии пейзажей Горок Ленинских, Гори и Ясной Поляны. В 1937 году удостоен звания «Заслуженный деятель искусств РСФСР».

Тема Великой Отечественной войны отмечена в творчестве художника картинами «Красная Армия в лесах Карелии», «По следам фашистских варваров» (1942).

В 1947 году ему присвоили звание народного художника РСФСР (звание народного художника Белорусской ССР он получил в 1944 году), избрали действительным членом Академии художеств СССР. С мая и до середины июня художник жил и работал на Белой даче в окрестностях Минска. Здесь он написал несколько десятков этюдов, которые стали основой цикла картин, посвящённых Белоруссии. В окрестностях Минска был найден мотив для картины «Беларусь. Вновь зацвела весна».

Скончался художник на своей даче «Чайка» 18 июня 1957 года в возрасте 85 лет. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.