Родился 23 января (4 февраля) 1899 года в Саратове.  В 1926 году окончил Академию воздушного флота им. Н. Е. Жуковского. После адъюнктуры стал преподавателем, в 1937 году назначен начальником кафедры.  В 1934—1936 возглавлял разработку тяжёлого бомбардировщика ДБ-А, на котором в 1936—1937 годах советскими лётчиками установлены четыре мировых рекорда дальности полёта с грузом.
 В 1939 году руководил постройкой оригинального скоростного самолёта-истребителя «С» с двумя соосными винтами, показавшего при лётных испытаниях скорость 570 км/ч. В начале 1940 года участвовал в испытаниях установленного на самолёт прямоточного воздушно-реактивного двигателя.  

В 1941—1942 годах под руководством Болховитинова конструкторами А. Я. Березняком и А. М. Исаевым был разработан первый советский ракетный истребитель БИ-1 с жидкостно-реактивным двигателем. В. Ф. Болховитинов является автором ряда трудов по авиационной технике. За заслуги перед Родиной награждён двумя орденами Ленина, двумя орденами Красного Знамени, орденами Трудового Красного Знамени, Красной Звезды, медалями.
Умер 29 января 1970 года в Москве. Похоронен на Введенском кладбище.