В 1971 году окончил Новосибирский государственный педагогический институт. С 1971 по 1973 год работал заместителем директора средней школы. В Сибирском Отделении с 1971 года: аспирант (1971-1973), младший научный сотрудник отдела археологии и этнографии (1973-1983), зав. сектором бронзы и железа (1983-1989), зав. отделом археологии и этнографии (1989 - по н.в.), зам. директора по научной работе Института археологии и этнографии СО РАН (1991- по н.в.).
Одновременно с 1992 по 1998 год возглавлял кафедру археологии и этнографии Гуманитарного факультета НГУ. В настоящее время преподаёт в Новосибирском государственном университете.
Член-корреспондент АН СССР по Отделению истории с 1987 года, академик РАН с 1997 года — Отделение историко-филологических наук.
Специалист в области археологии и первобытной истории Сибири.
Академик В.И. Молодин — крупнейший советский и российский специалист в области археологии, первобытной и древней истории Северной Евразии. Сфера его научных интересов — изучение памятников первобытного искусства, их хронологии и семантики, изучение погребальных и поселенческих комплексов от эпохи неолита до позднего средневековья, ставрография, проблемы истории науки и науковедения. Он — организатор мультидисциплинарных исследований с привлечением широкого круга специалистов и использованием современных естественнонаучных методик для получения нового научного знания в области археологии, древней и средневековой истории Сибири. Под руководством В.И. Молодина и при его непосредственном участии открыт и исследован ряд первоклассных археологических памятников, благодаря чему получены новые данные по древней истории коренных народов Сибири. Является автором первой детально разработанной научной концепции этно- и культурогенеза человеческих популяций, населявших Западно-Сибирскую равнину в хронологических границах от верхнего палеолита до позднего средневековья.
В.И. Молодиным значительно дополнена и уточнена периодизация культур эпохи ранней–развитой бронзы Барабинской лесостепи, получившая надежное стратиграфическое подтверждение. Разработана концепция миграционных импульсов носителей андроновской культурно-исторической общности в Барабинскую лесостепь. Предложено несколько вариантов моделей и исходных пунктов миграций. Показано, что в результате длительных контактов в регионе уже в период развитой бронзы формируется достаточно мозаичная этнокультурная ситуация, которая еще более усложняется в период поздней бронзы и в переходное от бронзы к железу время. Предлагаемая концепция находит подтверждение в результатах антропологических и палеогенетических исследований.
В.И. Молодин — один из инициаторов изучения высокогорных районов Алтая, в ходе которого открыты и исследованы уникальные погребальные комплексы пазырыкской культуры, пополнившие мировой фонд фундаментальных исторических знаний. В 1990-1995 гг. был соруководителем Международной исследовательской программы «Пазырык». Им были открыты — комплекс могильников пазырыкской культуры на плато Укок, протогородское поселение Чича в Здвинском районе Новосибирской области, пазырыкское захоронение воина в северо-западной части Монгольского Алтая, не имеющее аналогов по сохранности — эти открытия отмечены российскими и международными премиями. Именно на плато Укок найдена знаменитая «алтайская принцесса», открыты древнейшие в истории человечества наскальные изображения. С 2000 года — соруководитель Международного исследовательского проекта со специалистами Германского археологического института. Начальник Западно-Сибирского отряда Северо-Азиатской комплексной экспедиции (1973 — н.в.). Регионы работ: Западная и Восточная Сибирь, Монголия, Куба, Япония, Сирия, Канада.
В.И. Молодин является создателем и руководителем научной археологической школы — под его научным руководством защищены 13 докторских и 37 кандидатских диссертации.
Автор и соавтор более 1450 научных работ, в том числе 35 авторских и 29 коллективных монографий.
Заместитель главного редактора журнала «Археология, этнография и антропология Евразии», председатель редакционного совета серии «История. Филология» журнала «Вестник НГУ», член редколлегий или редакционных советов журналов «Российская археология», «Вестник древней истории», «Eurasia Antiqua», «Вестник археологии, антропологии и этнографии», «Самарский научный вестник», «Наука из первых рук», «Развитие территорий», «Вавиловский журнал генетики и селекции», «Вестник Кемеровского государственного университета», «Известия Иркутского государственного университета. Серия: геоархеология, этнология и антропология»,
Член Президиума РАН (2001-2008), член Президиума СО РАН (1997 — н.в.), с 2017 по н. в. — заместитель академика-секретаря Отделения историко-филологических наук РАН, руководитель исторической секции. Председатель НИСО СО РАН (2007 — н.в.), член научно-издательского Совета РАН (2015 — н.в.). В 1997-2001 гг. — заместитель председателя, в 2001- 2008 гг. — первый заместитель председателя Сибирского отделения РАН. Член Президиума СО РАН, избирался в состав Президиума РАН, входил в состав ВАК РФ (2012-2016).
Член экспертной комиссии Шанхайского археологического форума.
С 1996 года — член-корреспондент Германского Археологического Института (Берлин), с 2013 года — член-корреспондент Шанхайского археологического научного форума.
Награжден орденом Дружбы, орденом Почета, орденом «За заслуги перед Отечеством» IV ст., орденом «Знак Почета», медалями.
Лауреат Государственной премии СССР, Государственной премии РФ.
Удостоен национальной Демидовской премии, серебряного ордена «Общественное признание» Национального фонда «Общественное признание».
Отмечен Международной премией имени А. П. Карпинского Фонда А.Тёпфера Ф.Ф.С. (Гамбург, ФРГ), крестом первой степени ордена «За заслуги перед Федеративной Республикой Германия» (ФРГ), медалью «Дружба» (Монголия).