Учился он в петербургской Академии художеств в 1863–1871годах и параллельно – в Петербургском университете на юридическом факультете. Брал иногда частные уроки у Чистякова П.П. и Крамского И.Н. В 1872–1876 году он путешествовал по Италии, Франции и Германии и позднее, побывал на Ближнем Востоке и в Греции в 1881–1882годах, в 1899 и 1909.

В 1877–1878 году он участвовал как доброволец в сербо-турецкой войне, создал много батальных этюдов. Поленов состоял в «Товариществе передвижников».

Его знаменитые картины- Московский дворик (1878), Бабушкин сад (1878), Заросший пруд (1879); все эти картины – в Третьяковской галерее.

После революции он жил в своей усадьбе Борок, занимался живописью и руководил театральными деревенскими кружками. Он превратил усадьбу в музей, который был передан его родственниками государству в 1939 году.