Василий Поленов родился в многодетной, культурной дворянской семье 20 мая (1 июня) 1844 года в Петербурге.

Его отец, Дмитрий Васильевич Поленов, был известным археологом и библиографом. Мать, Мария Алексеевна, урожденная Воейкова, писала книги для детей, занималась живописью. Дядя художника, М. В. Поленов (1823—1882), был сенатором.

Ярким детским впечатлением Поленова были поездки на север, в Олонецкий край с его девственной природой, и в Ольшанку Тамбовской губернии, в имение бабушки В. Н. Воейковой. Вера Николаевна, дочь известного архитектора Н. А. Львова, воспитанная после ранней смерти родителей в доме Г. Р. Державина, хорошо ориентировалась в русской истории, знала народную поэзию, любила рассказывать внукам русские народные сказки, былины, предания. В этой атмосфере сформировался художественный вкус Поленова. Воейкова всячески развивала увлечение внуков живописью, поощряла творческое честолюбие, устраивала среди детей конкурсы, присуждая, как в академиях, за лучшую работу «медаль».

Наиболее одарёнными среди детей Поленовых оказались двое: старший сын Василий и младшая дочь Елена, ставшие впоследствии настоящими художниками. Детям были наняты педагоги по живописи из Академии художеств. Встреча с П. П. Чистяковым стала судьбоносной для таланта Поленова. Чистяков обучал рисунку и основам живописи Поленова и его сестру в 1856—1861 годах, сам будучи ещё студентом Академии художеств. С самых первых занятий преподаватель требовал от учеников пристального изучения натуры.

В 1861—1863 годах Поленов учился в олонецкой гимназии.

В 1863 году, окончив гимназию, поступил, вместе с братом Алексеем, на физико-математический факультет Петербургского университета. По вечерам Поленов в качестве вольноприходящего ученика посещал Академию Художеств; занимался не только в рисовальных классах: ещё слушал лекции по анатомии, строительному искусству, начертательной геометрии, истории изящных искусств. Поленов был постоянным посетителем оперного театра и концертов, увлекался музыкой Вагнера, сам пел в студенческом хоре Академии, сочинял музыкальные произведения.

Вскоре Поленов стал постоянным учеником натурного класса Академии художеств. Затем временно оставил университет, полностью погрузившись в занятия живописью. В 1867 году окончил ученический курс в Академии художеств, получив серебряные медали за рисунки и этюд. Вслед за этим участвовал в двух конкурсах на золотые медали по избранному им классу исторической живописи. С января 1868 года возобновил занятия в университете, теперь — на юридическом факультете.

Первую зарубежную поездку Поленов совершил летом 1867 года, посетив Всемирную парижскую выставку. В экспозиции был большой раздел с произведениями народных художественных промыслов различных стран. Незабываемые впечатления от увиденного легли в основу диссертации, которую Поленов защитил в университете[1].