Родился в с. Кудиново, Ногинского района, Московская области. В Военно-воздушных силах СССР с 1962 года. В 1966 году окончил Ейское высшее военное авиационное училище летчиков с золотой медалью.
Служил на должностях лётчика-инструктора, старшего лётчика-инструктора, командира авиационного звена, командира эскадрильи, заместителя командира и командира авиационного полка в Таганроге. В 1975 году — окончил Военно-воздушную академию имени Ю. А. Гагарина. Продолжил службу на должности заместителя начальника Ейского высшего военного авиационного училища лётчиков по боевой подготовке. С 1980 года — начальник Борисоглебского высшего военного авиационного училища лётчиков. С 1985 года — заместитель командующего ВВС Московского военного округа. В 1991 году — окончил Военную академию Генерального штаба Вооружённых Сил имени К. Е. Ворошилова.

В 1991—1993 годах — командующий Военно-воздушными силами Северо-Кавказского военного округа. В 1993 году ВВС округа были преобразованы в 4-ю воздушную армию и В. С. Михайлов был назначен её командующим.

Активный участник первой чеченской войны 1994—1996. Авиация 4-й воздушной армии в ноябре — декабре 1994 года провела операцию по уничтожению ВВС Джохара Дудаева на аэродромах перед началом наземной операции. Всего было уничтожено свыше 200 самолётов и 2 вертолётов. В дальнейшем 4-я воздушная армия активно участвовала в боевых действиях. По сообщению газеты «Красная Звезда», командующий армией генерал-лейтенант Михайлов лично совершил 42 боевых вылета на штурмовике, уничтожил на земле 6 самолётов, 2 вертолёта, склад боеприпасов и 8 единиц техники боевиков. За участие в первой чеченской войне В. С. Михайлову присвоено звание Героя Российской Федерации.

С апреля 1998 года — первый заместитель Главнокомандующего Военно-воздушными силами Российской Федерации, генерал-полковник. С 21 января 2002 года по 9 мая 2007 года — Главнокомандующий Военно-воздушными силами Российской Федерации. Воинское звание генерал армии присвоено указом Президента России от 23 февраля 2004 года.

  Серийное производство было развёрнуто только в 1982 году на базе московского завода № 30 «Знамя труда». В августе 1983 года первые серийные МиГ-29Б начали поступать на авиабазу Кубинка.

Машина успешно прошла государственные приёмные испытания в 1984 году, после чего начались её поставки в подразделения фронтовой авиации. К началу 1985 года первые два авиаполка на МиГ-29 достигли оперативной готовности.

На данный момент ВВС России эксплуатируют 270 МиГ-29, ВМФ России имеет 40 истребителей МиГ-29. 5 декабря 2008 года в Забайкальском крае в районе аэродрома Домна при выполнении учебного полета разбился истребитель МиГ-29. Пилот подполковник Валерьян Кокарев погиб. Расследование показало, что причиной катастрофы явилось разрушение хвостового оперения самолёта при перегрузках, которые превышали допустимые. Полеты самолётов МиГ-29 в России были временно приостановлены, сообщается, что со всех самолётов было демонтировано хвостовое оперение и отправлено на завод-производитель. Проведенный осмотр всего парка самолётов этого типа выявил наличие трещин и расслоения металла в силовых элементах планеров с ещё не истёкшим ресурсом.

4 февраля 2009 года принято решение о возобновлении полетов части парка (около 30 %) истребителей МиГ-29. К полетам допущены те истребители, осмотр которых не выявил наличия коррозии, ставшей, по предварительным данным, причиной катастрофы 5 декабря 2008 года

Gогибли четыре человека: командир БЧ-2 капитан 3 ранга А. Петрачков, матрос-ракетчик Н. Смоглюк, машинист И. Харченко, реакторщик С.Преминин.

Впоследствии умерли ещё четыре члена экипажа К-219: капитан третьего ранга В.Марков, капитан-лейтенант В. Карпачев, капитан второго ранга И. Красильников, старшина первой статьи Р.Садаускас.