Родился в семье деревенского плотника. После окончания школы крестьянской молодёжи поступил в Кременчугский медицинский техникум. В 1939 году с отличием окончил Полтавский педагогический институт. Работал учителем украинского языка и литературы в сельских школах Онуфриевского района Кировоградской области.

Участник Великой Отечественной войны. В июле 1941 года призван в Красную Армию. В звании младшего политрука воевал на Западном и Калининском фронтах, участвовал в Смоленском сражении и битве под Москвой.

В январе 1942 года был тяжело ранен осколком снаряда под самое сердце. Чудом выжил и после выписки из уральского госпиталя с 1942 по 1944 годы работал директором школы посёлка Ува Удмуртской АССР. Возвратившись на родину, узнал, что его жена, участвовавшая в партизанском подполье, с малолетним сыном были замучены фашистскими оккупантами.

С 1944 года — заведующий Онуфриевским районным отделом народного образования. С 1948 года до последнего дня своей жизни работал директором средней школы посёлка Павлыш Онуфриевского района Кировоградской области Украины. В 1955 году защитил кандидатскую диссертацию на тему: «Директор школы — организатор учебно-воспитательного процесса».

Сухомлинский создал оригинальную педагогическую систему, основывающуюся на принципах гуманизма, на признании личности ребёнка высшей ценностью, на которую должны быть ориентированы процессы воспитания и образования, творческая деятельность сплоченного коллектива педагогов-единомышленников и учащихся. Коммунистическое воспитание Сухомлинский понимал как формирование «мыслящих личностей», а не послушных исполнителей партийных команд.

Сухомлинский строил процесс обучения как радостный труд; большое внимание он уделял формированию мировоззрения учащихся; важная роль в обучении отводилась слову учителя, художественному стилю изложения, сочинению вместе с детьми сказок, художественных произведений.

Сухомлинский разработал комплексную эстетическую программу «воспитания красотой». Его система противостояла авторитарному воспитанию и критиковалась официальными педагогическими кругами за «абстрактный гуманизм».

В целостном виде взгляды Сухомлинского представлены в «Этюдах о коммунистическом воспитании» (1967) и других произведениях. Его идеи воплощены в практике многих школ. Были созданы Международная ассоциация В. А. Сухомлинского и Международное объединение исследователей Сухомлинского, педагогический музей Сухомлинского в Павлышской школе (1975).

Сухомлинский — автор около 30 книг и свыше 500 статей, посвящённых воспитанию и обучению молодёжи. Книга его жизни — «Сердце отдаю детям» (Государственной премии УССР — 1974, посмертно). Его жизнь — воспитание детей, личности. В условиях тоталитарной системы он воспитывал в детях чувство достоинства, воспитывал гражданина.