Пенев е роден в град София, България. Баща му е покойният Никола Пенев, журналист от вестник „Земеделско знаме“.

Средното си образование завършва в 8 СОУ „Васил Левски“. От 1982 г. е магистър по актьорско майсторство за драматичен театър в класа на професор Николай Люцканов с асистент Маргарита Младенова, ВИТИЗ „Кръстьо Сарафов“.

Актьорска кариера

От 1985 до 1992 г. е в състава на Младежки театър „Николай Бинев“ в София. След това е в трупата на Народен театър „Иван Вазов“. От 2003 г. играе в състава на Малък градски театър „Зад канала“. Той изпълнява ролята на Плужека във филма „Дзифт“ от 2008 г.

Стената на славата пред Театър 199 – пано с отпечатъци, послание и шарж на Владимир Пенев.
Участва в постановките на Театър 199: „Живот х 3“, „Приятнострашно“, „Кралицата майка“ и „Дуети“. Поставя спектакъла „Class“ от Чарлс Еверед, с участието на Юлиян Вергов и Мила Люцканова, с който се дипломира като режисьор.

Пенев играе в „Жана“ и „Идиот 2012“ в Народен театър „Иван Вазов“, „Скъперникът“ и „Човекът, който искаше“ в Малък градски театър зад Канала, „Чайка“ в Театър Азарян, и „Семеен албум“ в Младежкия театър. Също така режисира „Дакота“ в Сатиричен театър „Алеко Константинов“. През май 2017 г. замества Захари Бахаров в ролята на Серж в „Арт“ в Сатиричния театър.

Награди

Измежду многобройните му награди са „Златна маска“ на Международния театрален фестивал „Охридско лято“, „Икар“ за ролята си на Едгар в спектакъла „Мъртвешки танц“ на ТР „Сфумато“ (2007), Аскеер през 1996 г. за ролята на мъжа от „Нирвана“ на К. Илиев с режисьор М. Младенова, Аскеер през 2007 г. за Едгар от „Мъртвешки танц“, Риека 2007 за главна мъжка роля, Златна ракла 2000 за „Пясъчен часовник“ с режисьор Г. Дюлгеров. През 2010 г. е номиниран за Аскеер за поддържаща мъжка роля в „Приятнострашно“ на Театър 199.

Носител е на наградата „Икар“ на Съюза на артистите в България „за водеща мъжка роля“, за ролята на (Арпагон) в „Скъперникът“, Малък градски театър „Зад канала“, 2014.

Кариера на озвучаващ актьор

Пенев се занимава с озвучаване на реклами, филми и сериали от средата на 80-те години на миналия век. Първият филм, за който дава гласа си, е румънски. Участва и в синхронния дублаж на „Мисис Даутфайър“, който е първият, направен специално за телевизията. По-известен е с работата си по американски сериали като „Туин Пийкс“, „Дневниците на червените обувки“, „Шотландски боец“, „Досиетата Х“, „Монк“, „Двама мъже и половина“ (от втори до осми сезон), „От местопрестъплението: Ню Йорк“, „Отчаяни съпруги“ и „Династията на Тюдорите“.

На 20 декември 2013 г. му е връчена наградата Дубларт за цялостен принос.