Родился в Свердловске 10 марта 1946 года. Его родители были рабочими, отец после войны остался инвалидом, и семья жила небогато. После школы Гостюхин поступил в радиотехникум. Однажды он принял участие в студенческом спектакле, и это событие перевернуло его жизнь. Владимир бросил учебу, начал ходить на занятия в местный Дом культуры. Он грезил о ГИТИСе, и в 1965-м мечта исполнилась. По окончании института Гостюхин отслужил и был принят в театр Советской Армии – в качестве мебельщика-реквизитора. Однажды его попросили заменить заболевшего артиста: в 1974 году Владимир вышел на сцену в роли старшины в спектакле «Неизвестный солдат».
В 1976 году Гостюхину вновь улыбнулась удача: его пригласили на съемки в ленту «Восхождение», экранизацию военной повести Василя Быкова «Сотников». Кинематографисты были удивлены выбором режиссера Ларисы Шепитько: позвать реквизитора на одну из главных ролей – смелый поступок. Однако образ предателя Рыбака актер сыграл так убедительно, что все вопросы отпали сами собой.
К счастью для Гостюхина, он не стал заложником одного образа, однако роли героев со сложными характерами удавались ему лучше всего: следует отметить его работы в лентах «В профиль и анфас», «Чужая компания». Даже положительные персонажи у Владимира получались не абсолютно «правильными», как это было принято в советском кинематографе: актер показывал внутренние переживания, сомнения своих персонажей.
Часто режиссеры приглашали Гостюхина на амплуа простого русского парня: в фильме «Родник» он сыграл крестьянина, а в мелодраме «Белый ворон» – шахтера. Прекрасно справлялся Владимир и с комедиями: зрителям особенно запомнился атаман Платов из «Левши» и озорной Мак-Ноббс в многосерийном телефильме «В поисках капитана Гранта». За роль Месенина в киноромане «Берег» актер в 1985 году получил Госпремию СССР.
В конце 1980-х Гостюхин исполнил много драматических ролей. В полном трагизма и безысходности фильме «Без солнца» по пьесе Горького «На дне» он воплотил вора Ваську Пепла, а его герой в картине «Наш бронепоезд», командир лагерной охраны Кузнецов, кончает жизнь самоубийством. Эти работы требовали от Владимира не только огромного таланта, но и большой самоотдачи.
В 1990-е годы актер снимался меньше, чем прежде, так как интересных ролей практически не предлагали. Исключением стал, например, фильм Никиты Михалкова «Урга: Территория любви», получивший «Золотого льва» на Венецианском кинофестивале. Кроме того, Гостюхин сыграл в костюмном кино «Мещерские» по произведениям Ивана Бунина.
В 2000-е годы карьера актера снова пошла в гору: он прославился среди молодого поколения, приняв участие в съемках сериала «Дальнобойщики». Роль обаятельного водителя Федора Иваныча – одна из самых запоминающихся работ Гостюхина последних лет. Следует отметить также картину «Сказ про Федота-Стрельца», где он сыграл генерала.
