Родился 18 сентября 1918 года в селе Тепловка (ныне Вольского района Саратовской области). Учился в средней школе № 1 города Вольска. В 1934 году с семьёй переехал в Москву, где окончил фабрично-заводское училище при мясокомбинате имени А. И. Микояна. В 1934-1937 гг. работал на этом мясокомбинате шпигорезом, а затем обвальщиком в сырьевом цехе. Одновременно учился в аэроклубе Пролетарского района столицы. С 26 января 1938 года в рядах Красной Армии, призван Таганским РВК (города Москвы). По комсомольской путёвке был направлен в Борисоглебскую военную авиационную школу пилотов, которую окончил в декабре 1938 года. Служил младшим лётчиком в 27-м ИАП (ВВС Московского военного округа).

Участник Советско-Финляндской войны с декабря 1939 года в составе 68-го ИАП (ВВС 7-й Армии), а с января по март 1940 года - уже 152-го ИАП (ВВС 9-й Армии). Совершил 47 боевых вылетов на И-153, воздушных побед не имел (опубликованные в различной художественно-публицистической литературе данные о 4 сбитых им самолётах не подтверждаются какими-либо оперативными и отчётными документами). Награждён орденом Красной Звезды.

Затем продолжил службу в 27-м ИАП. С июня 1940 года - помощник штурмана эскадрильи. Весной 1941 года окончил Курсы командиров звеньев. 15 мая 1941 года был направлен в госпиталь (ИАМ ВВС КА), по болезни.

С 23 июня 1941 года младший лейтенант В. В. Талалихин в действующей армии: в должности командира звена 27-го ИАП (6-й ИАК ПВО, Московская зона ПВО), летал на И-16. С 16 июля 1941 года - командир звена 1-й эскадрильи 177-го ИАП (6-й ИАК ПВО), вскоре назначен заместителем командира эскадрильи. Летал на И-16 и МиГ-3. Осуществлял прикрытие города и военных объектов Москвы с воздуха, помимо выполнения задач ПВО вылетал на прикрытие наземных войск и штурмовку войск противника.

В ночь на 7 августа 1941 года заместитель командира 1-й эскадрильи 177-го истребительного авиационного полка (6-й истребительный авиационный корпус, Войска ПВО территории страны) младший лейтенант В. В. Талалихин при отражении очередного налёта немецкой авиации на Москву сбил таранным ударом немецкий бомбардировщик Хе-111, сам был ранен в руку, но сумел покинуть с парашютом повреждённый истребитель, приземлился на окраине деревни Мансурово (в 35 километрах от Подольска). Обломки его И-16 тип 29 были найдены лишь летом 2014 года (в 20 км от Москвы). Указом Президиума Верховного Совета СССР от 8 августа 1941 года удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 347).

Таран В. В. Талалихина широко освещался советской пропагандой и часто ошибочно указывалось, что именно он первым в истории совершил ночной таран. В действительности, ранее такой же подвиг совершали и другие советские лётчики. Одним из первых известных ночных таранов в годы Великой Отечественной войны совершил в ночь на 29 июля 1941 года заместитель командира эскадрильи 27-го ИАП старший лейтенант П. В. Еремеев, также защищавший небо Москвы (Указом Президента Российской Федерации от 21 сентября 1995 года посмертно удостоен звания Героя Российской Федерации).

При этом, некоторые источники указывают на то, что В. В. Талалихин тарана не совершал, а произошло случайное столкновение двух самолётов, представленное широкой публике, как умышленный таран. Так, известный советский лётчик-истребитель Герой Советского Союза Аркадий Фёдорович Ковачевич (в начале войны тоже служивший в 6-м ИАК) писал в своих воспоминаниях: "Наш товарищ Талалихин попал под обстрел воздушного стрелка вражеского бомбардировщика. Его ранило в руку. Когда пуля попала, он сунул сектор газа и столкнулся с немцем. Он не таранил, он случайно ударил "Хейнкеля" и его выбросило из кабины. Очнулся, когда летел в воздухе, и открыл парашют. На земле ему сказали: "Таранил!"   А он им: "Да я просто столкнулся, ранен был!"   Ну что ж, срубил - значит срубил..."

После недолгого лечения В. В. Талалихин вернулся в строй, вскоре был назначен командиром эскадрильи. В последующих боях одержал ещё 1 личную победу и 1 - в группе. Так, например, 13 октября в бою у Калуги он сбивает бомбардировщик Хе-111. А 15 октября, в паре с младшим лейтенантом В. А. Самодуровым, уничтожил многоцелевой самолёт Ме-110.

27 октября 1941 года выполняя боевое задание по прикрытию наших войск в районе деревни Каменка (на берегу реки Нары, в 85 км западнее Москвы) младший лейтенант В. В. Талалихин в воздушном бою с истребителями противника был тяжело ранен в голову, его неуправляемый МиГ-3 рухнул в лес (в 2-х километрах северо-западнее Каменки) и сгорел. К тому времени совершил около 60 боевых вылетов, сбил лично 3 и в составе пары 1 самолёт противника. Останки погибшего лётчика были доставлены в Москву и похоронены в колумбарии Донского кладбища. Позже, в 1959 году при организации памятника "Герои Московской битвы" прах был перенесён и захоронен на Новодевичьем кладбище (участок 5).

Приказом Министра Вооружённых сил СССР от 30 августа 1948 года навечно зачислен в списки 1-й эскадрильи истребительного авиационного полка, в составе которой он сражался с врагом под Москвой. На 43-м километре Варшавского шоссе, над которым произошёл ночной таран, установлен обелиск. В Москве и в Подольске установлены памятники Герою. Именем В. В. Талалихина названы улицы в Москве, Калининграде, Волгограде, Красноярске, Владивостоке, Борисоглебске (Воронежская область) и других городах, морское судно, ГПТУ № 100 в Москве, ряд средних школ. Мемориальная доска установлена на памятной стеле напротив здания средней школы № 1 в городе Вольске (Саратовская область).

Награждён орденами: Ленина (08.08.1941), Красного Знамени (04.03.1942, посмертно), Красной Звезды (21.05.1940).