Владимир Сергеевич Серегин родился 7 июля 1922 года в Москве в семье почтового служащего.
Окончил 10 классов. О небе мечтал со школьной скамьи и в 1940 году, сразу после школы, Владимир Серегин добровольцем вступил в Красную Армию.
В 1943 году окончил Тамбовскую военную авиационную школу пилотов и с этого года сражался на фронтах Великой Отечественной войны. Старший летчик 672-го штурмового авиационного полка 306-й штурмовой авиационной дивизии 10-го штурмового авиационного корпуса 17-й воздушной армии 3-го Украинского фронта, лейтенант Серегин воевал в небе Украины, Молдавии, Румынии, Болгарии, Югославии. Освобождал Венгрию и Австрию.
При штурмовке техники противника у озера Балатон выдержал бой с шестеркой «фокке-вульфов». Будучи раненым, на изрешеченном самолете дотянул до аэродрома, где совершил посадку на одно шасси. Сбил в этом бою один истребитель. Всего во время войны совершил около 200 боевых вылетов, в 19 воздушных боях сбил три самолета противника.
Звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» лейтенанту Серегину Владимиру Сергеевичу присвоено 29 июня 1945 года за 140 боевых вылетов на штурмовку вражеских войск, разведку и фотографирование важных объектов противника.
После войны он продолжал служить ВВС СССР. В 1953 году В.С. Серегин окончил инженерный факультет Военно-воздушной инженерной академии имени Н.Е. Жуковского и был назначен в испытательный институт ВВС. Полеты в качестве летчика-испытателя он начал на самолете УТИ МиГ-15. Хорошая инженерная подготовка, опыт летчика, прошедшего суровую школу войны, позволили Серегину быстро войти в строй летчиков-испытателей. Ему не раз приходилось попадать в трудные ситуации, совершая сложные испытательные полеты. В одном из полетов разрушились рули управления опытного самолета, но с риском для жизни он сумел совершить посадку на аэродроме.
В мае 1958 года Владимиру Сергеевичу Серегину была присвоена квалификация летчика-испытателя второго класса, в 1967 году — 1 класса. С 1964 года он военный летчик 1-го класса, причем эту квалификацию подтверждал дважды — в 1966 и 1967 годах. Имел почти пятилетний опыт инструкторской работы. Общий налет — более 4 тысяч часов.
27 марта 1968 года командир учебного полка Центра подготовки космонавтов полковник-инженер Серегин вместе летчиком-космонавтом полковником Юрием Гагариным выполнял тренировочный полет на УТИ МиГ-15 в качестве инструктора. В районе деревни Новоселово Киржачского района Владимирской области по невыясненной причине самолет вошел в штопор, для вывода из которого не хватило высоты. Экипаж погиб...
Урна с прахом Серегина установлена в Кремлевской стене на Красной площади в Москве.
Награжден орденом Ленина, 2 орденами Красного Знамени, орденами Отечественной войны 1-й и 2-й степеней, 4 орденами Красной Звезды, медалями.
Его имя носят улицы в Москве и Донецке. В Курске имя героя Советского Союза Владимира Серегина присвоено одной из улиц Сеймского округа. Здесь же установлен бюст героя.