Родился в Курске.
Среднее образование получил в городской общеобразовательной школе. Ещё в школе увлёкся авиацией, участвовал в различных соревнованиях по авиамодельному спорту.
В 1959 г. закончил с отличием Харьковский авиационный институт.
В 1964 г. поступил на работу в ОКБ-153 (ОКБ Антонов) г. Киев в качестве инженера-конструктора.
В 1964-1971 гг. – начальник бригады перспективных разработок ОКБ Антонова.
В 1971-1983 гг. – ведущий конструктор проекта Ан-124.
В 1983-1986 гг. – заместитель главного конструктора по самолёту Ан-124.
В 1986-1992 гг. – главный конструктор по самолётам Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия».
В 1991 г. — технический директор авиакомпании «Волга-Днепр» г. Ульяновск. Одновременно (1992-1995) работал на Ульяновском АПК — АО «Авиастар» (ныне АО «Авиастар-СП») в должности главного конструктора завода.
В 1992 г. «Волга-Днепр», УАПК «Авиастар» и АНТК им. О. К. Антонова в рекордный срок, провели гражданскую сертификацию Ан-124, получившую обозначение Ан-124-100.
В 1997-2002 гг. — председатель Совета директоров авиакомпании «Волга-Днепр».
С 2002 г. — технический директор Группы компаний «Волга-Днепр».
Преподавательская деятельность.
В 1964-1992 гг. — доцент филиала Харьковского авиационного института при Авиационном Научно-Техническом комплексе им. О.К. Антонова.
В 1994-1999 гг. — профессор Ульяновского государственного технического университета.
В 1995-1997 гг. — директор Авиационного филиала Ульяновского государственного технического университета.
В 1997 г. избран членом Российской академии естественных наук.
В.И. Толмачёв — автор более 100 научно-технических публикаций и изобретатель ряда авиационных устройств.
С 1998 г. — член Международной Академии Изобретателей.
Награды: ведомственные награды, Лауреат Государственной премии Украины.
В.И. Толмачёв посвятил отечественной авиации более 50 лет жизни, принимал участие в разработке и создании практически всех антоновских самолётов и их модификаций — Ан-2, Ан-14, Ан-8, Ан-10, Ан-12, Ан-24, Ан-22, Ан-26, Ан-32, Ан-28, Ан-124 «Руслан» и Ан-225 «Мрия».
Под его началом работал инженер-авиастроитель В.В. Шишков.
5 августа 2019 г. авиаконструктору В.И. Толмачеву в г. Ульяновск установили памятный знак и назвали в его честь улицу.
Ист: из открытых источников.