Родился 21 ноября 1876 г. в Шадринском уезде Пермской губернии в небогатой дворянской семье. Отец служил нотариусом, мать занималась домашним хозяйством и воспитывала троих детей. В 1896 г. Владимир окончил Екатеринбургскую гимназию и поступил на физико-математический факультет Петербургского университета и одновременно - в Императорскую академию художеств. В 1900 г. он также поступил на второй курс археологического института. Во время обучения в нём проводил археологические разведки на берегах рек Синары и Караболки, Шигирского и Исетского озёр. В 1904-1906 г. Толмачёв находился на действительной военной службе и принимал участие в Русско-японской войне в Маньчжурии. Начав военную карьеру в чине ефрейтора, был демобилизован прапорщиком запаса, имея несколько боевых наград. С 1906 по 1907 гг. Толмачёв путешествовал по крупным городам России, знакомясь с археологическими коллекциями; посетил Индию, Египет и Сингапур. Был действительным членом Уральского общества любителей естествознания с 1907 г. В 1908 г. Толмачёв был командирован Императорской археологической комиссией в Оренбургскую губернию с целью проведения там археологической разведки. В 1909-1910 гг. проводил исследования в Самарской губернии. В 1914 г., после начала Первой мировой войны, был снова призван на военную службу с назначением в запасный батальон Лейб-гвардии Семёновского полка. После Октябрьской революции приехал в Екатеринбург, читал лекции в университете. По 1919 г. работал в Екатеринбургской губернии, обследовал стоянки и наскальные рисунки в Верхотурском, Ирбитском, Камышловском, Екатеринбургском и Шадринском уездах. В первой половине 1920-х гг. Толмачёв в числе беженцев попал в Забайкалье и Читу, откуда перебрался к брату в Харбин, где служил на КВЖД, занимал должность хранителя Русского музея, продолжал заниматься археологией. В 1936 г. переехал в Шанхай, преподавал в 1-ом реальном училище им. А.С. Пушкина, затем — в училище им. Н.И. Пирогова. Стал одним из основателей Кружка любителей естествознания. В Китае В.Я. Толмачёв занялся рисованием и живописью. В 1939 г. устроил выставку своих работ. Последние годы жизни провел в Шанхае, где погиб в автокатастрофе в 1943 г. (по другим данным, в 1942 г.). По другой версии, в 1942 году В. Я. Толмачёв получил советское гражданство и выехал на Родину вместе с женой. Умер в дороге и был похоронен в Китае, место захоронения неизвестно. Во время службы в Русской императорской армии был награждён орденами Св. Анны 4-й степени, Св. Анны 3-й степени с мечами и бантом, Св. Анны 2-й степени; Св. Станислава 3-й степени с мечами и бантом, Св. Станислава 2-й степени с мечами, а также румынским орденом Короны 5-й степени.