Обучаться ремеслу зодчего В. И. Баженов начал в школе архитектурного мастерства князя Д. В. Ухтомского. Из учебного заведения главного архитектора Москвы В. И. Баженов по ходатайству основателя Московского университета И. И. Шувалова перешёл в Императорскую Академию художеств. Молодой зодчий показал прилежание и способности к архитектуре. В скором времени преподаватель архитектуры С. И. Чевакинский привлёк молодого зодчего к постройке Никольского морского собора в Санкт-Петербурге.

В сентябре 1759 года В. И. Баженова, первым от Академии художеств, направляют для совершенствования мастерства за границу. В Париже он изучает искусство гравирования, а также занимается изготовлением из дерева моделей знаменитых построек: Луврской галереи, Собора Святого Петра и других зданий. О пребывании в Петербургской и Парижской академиях В. И. Баженов напишет: «Академия художеств мною первым началась, откуда я был послан в чужие края, во Франции учился в теории, за что похвалы имел от всей Академии Парижской, примечал я и практику, где все архитекторы сматривали мои дела с большею охотою, а мои товарищи французы молодые у меня крадывали мои продукты и с жадностью их копировали». Примечательно, что В. И. Баженов первым из русских архитекторов получит звание профессора Римской, члена Флорентийской и Болонской академий.

По возвращении на родину В. И. Баженов участвует в издании масштабного 10-томного труда, посвящённого взглядам и архитектурному наследию знаменитого древнеримского зодчего и инженера Марка Витрувия Поллиона. Следует отметить, что В. И. Баженов был одним из лучших практиков-строителей XVIII столетия. Его отличали как искусство планировки, так и изящество формы проектируемых им зданий. Русский архитектор был одним из тех, кто прививал в нашей стране любовь к французскому стилю в архитектуре. Ярким свидетельством тому является знаменитый Пашков дом, автором-проектировщиком которого является русский зодчий.

В. И. Баженов принимал участие в конкурсе на получение степени профессора Академии художеств в Санкт-Петербурге. Для этого им был разработан проект увеселительного дома – дворца и парка в Екатерингофе. Работал зодчий и под началом князя Г. Г. Орлова, который определил В. И. Баженова в Артиллерийское ведомство главным архитектором с чином капитана.

В 1767 году В. И. Баженов был направлен в Москву для реставрации строений Кремля. Архитектор масштабно подошёл к проекту «Кремлёвской перестройки». Зодчий ставил перед собой задачу реконструкции центра города, объединения территории Кремля и Красной площади, создания из разновременных построек единого, цельного архитектурного комплекса.

В 1774 году В. И. Баженову было поручено проектирование временных павильонов на Ходынском поле по случаю празднования мира с Турцией. Проект зодчего отличала смелая фантазия, а также обращение к архитектурному наследию эпохи Древнего Рима, средневековья и особенно Древней Руси.

Архитектор участвовал также в строительстве дворцово-паркового ансамбля  Царицыно и Петровского путевого дворца.

Среди его работ стоит выделить знаменитый памятник русской готики – Владимирскую церковь в селе Быково Раменского района Московской области.

Будучи в Москве, В. И. Баженов предпринимает попытку организовать «партикулярную» (частную) академию. Но, как писал зодчий, «препятствиев к моему намерению весьма есть много».

Следует отметить, что во время правления императрицы Екатерины II В. И. Баженов попадает в опалу. Одно время он был вынужден заняться частными постройками. Но, уже в 1792 году, он вновь был принят на службу в адмиралтейств-коллегию.

В 1790-х годах В. И. Баженов принимает участие в разработке одного из проектов Михайловского (Инженерного) замка – резиденции императора Павла I. С восшествием на престол русский монарх назначает архитектора вице-президентом Академии художеств и поручает ему заняться собранием чертежей русских зданий с целью исторического исследования отечественной архитектуры. В записке о реорганизации академии, основанной на собственном опыте, В. И. Баженов изложил свои взгляды на принципы деятельности учреждения. Как и М. В. Ломоносов, он говорил о необходимости подготовки отечественных художников, сообразуясь «со нравами национальными». В планы архитектора входило создание бесплатной архитектурной школы, открытие художественного музея, а также издание труда «Российская архитектура», в котором планировалось разместить чертежи лучших зданий страны. Примечательны слова В. И. Баженова об архитектуре как об искусстве: «Архитектура главнейшие имеет три предмета: красоту, спокойность и прочность здания... К достижению сего служат руководством знание пропорции, перспектива, механика или вообще физика, а всем сим общим вождем рассудок...»

Следует отметить, что В. И. Баженов вместе со своими выдающимися современниками и учениками М. Ф. Казаковым и И. Е. Старовым был основоположником нового, классического направления в русской архитектуре XVIII столетия.

Скончался знаменитый русский архитектор в 1799 году в Санкт-Петербурге. Согласно завещанию, В. И. Баженов был похоронен в селе Глазово близ Каширы.