Владимир Сухомлинов сделал блестящую военную карьеру: начал старшим адъютантом 1-й кавалерийской дивизии, а окончил в кресле военного министра. Отличился он ещё во время Русско-турецкой войны — его наградили орденом Святого Георгия 4-й степени и золотым оружием. Затем работал в Николаевской академии Генштаба, был начальником офицерской кавалерийской школы.
Он написал ряд учебных пособий и усовершенствовал технику кавалерийского дела в армии. Служил в Харькове, затем в Киеве, где был помощником командующего Киевского военного округа. В 1905 году Сухомлинов был назначен на пост Киевского, Подольского и Волынского генерал-губернатора. На фоне революционной активности несколько раз Сухомлинов становился целью террористов.
В 1908 году император назначил его начальником Генерального штаба. Сухомлинов занялся составлением новых мобилизационных планов и вошёл в Совет гособороны. Весной следующего года он сел в кресло военного министра.
Сухомлинов был сторонником развития и использования новой техники. Так, при нём были созданы автомобильные части и военно-воздушный флот, что пригодится во время Первой мировой войны. Кроме того, он добился интеграции всех систем и органов военного управления. При нём была создана система «скрытых кадров», при которой ядро дополнительных пехотных батальонов составляли офицеры и солдаты, набранные из резервистов. В итоге к 1914 году треть мобилизованной армии составляли резервисты. Сухомлинов постепенно готовился к большой войне, которую предрекали не раз. В 1910-м, 1913-м и 1914 годах было проведено перевооружение армии. Сухомлинов добился роста военного бюджета на 33%. По его приказу была создана военная контрразведка.
Однако с ростом финансирования военного ведомства были согласны не все. Возник конфликт с министром финансов Коковцовым, который не поддерживал увеличение трат на армию. В 1912 году поведение Австро-Венгрии становилось все более вызывающим, поэтому Сухомлинов выступал за мобилизацию трёх военных округов. Но ставший уже тогда премьер-министром Коковцев убедил императора не следовать совету главы военного ведомства.
Сухомлинов выступал не только против Коковцева, но и против попыток Госдумы вмешиваться в военные дела. За это депутаты отвечали ему резкой критикой и немыслимыми обвинениями, вплоть до измены и шпионажа.
Ещё до войны Сухомлинов снискал себе скандальную славу. Он закрутил роман с замужней женщиной Екатериной Бутович. Последовал затяжной и громкий бракоразводный процесс между Бутович и её первым супругом. Безусловно, подобное событие не могло остаться без внимания общественности. Муж Бутович утверждал, что Сухомлинов угрожал ему, это негативно сказалось на репутации министра.
Депутаты требовали от министра юстиции разобраться в этом громком деле. Политический деятель Шульгин писал: «Разногласия между супругами, как это показывает семейная трагедия Толстых, может разделить весь мир на две половины — одну за Льва Николаевича, другую за Софью Андреевну. Но в данном случае мир не разделился. Слишком уж цинично были попраны закон и правда». Кроме того, Сухомлинову ставили в вину расточительность его новой супруги, которая якобы носила бриллиантовое колье и покупала слишком много шляпок. Многие предполагали, что министр брал взятки и специально колесил по стране, чтобы получать «прогонные» и оплачивать капризы Екатерины Викторовны.
Сухомлинова обвиняли даже в шпионаже. В частности, Шульгин заявлял, что министр привёз в столицу из Киева «шпионскую клику во главе с Альтшиллером». Гучков также способствовал развитию шпионского скандала — он выступил с обвинениями против протеже Сухомлинова подполковника Сергея Мясоедова, назначенного на борьбу с революционной агитацией в армии. Гучков обвинил Мясоедова в шпионаже, за что получил вызов на дуэль. Если поначалу Сухомлинов защищал своего протеже, то теперь был вынужден отправить его в отставку. Расследование не нашло доказательств вины Мясоедова, но этот скандал негативно отразился на и так непрочной репутации министра.
Началась война, первый год которой оказался для армии тяжёлым. Министерство было в натянутых отношениях со Ставкой, поскольку главнокомандующий великий князь Николай Николаевич просто не переносил Сухомлинова. Война вопреки прогнозам оказалась длительной, возник дефицит снарядов из-за ошибок в рассчётах, что привело практически к катастрофической ситуации в 1915 году и стало причиной многочисленных поражений русской армии. Вину за всё возложили на плечи Сухомлинова. Министра обвиняли в «снарядном голоде» и выборе недобросовестных поставщиков, вменяли ему взяточничество.
8 марта 1916 года Сухомлинова уволили с военной службы. 21 апреля его арестовали и поместили в Трубецкой бастион Петропавловской крепости на время следствия. В октябре Сухомлинова перевели под домашний арест. Никаких прямых доказательств его вины не было, он стал жертвой общественного негодования, высшие сановники пытались свернуть его дело, но министерство юстиции этого не допустило.
1 марта 1917 года Сухомлинова снова арестовали, но уже представители новой власти. Он вспоминал об этом так: «В то время, когда я так отстаивал свою голову, вспыхивает Февральская революция 1917 года, и какая-то компания вооруженных людей арестовывает меня на квартире и везёт в Таврический дворец, где уже организовалась новая власть. Во время переезда в грузовом автомобиле субъект в очках держал против моего виска браунинг, дуло которого стукалось мне в голову на ухабах. Полнейшее моё равнодушие к этому боевому его приёму привело к тому, что он вскоре спрятал оружие в кобуру. Затем несколько вопросов относительно моего дела и совершенно спокойные мои ответы на них окончились тем, что первоначальное неприязненное ко мне отношение превратилось в благожелательное». Его повели к Керенскому, где заставили снять погоны и отдать Георгиевский крест. Но при попытке забрать орден за Сухомлиного вступился один из солдат, заявививший, что заслуженную награду, да ещё и такую, отнимать нельзя.
Суд шёл с 10 августа по 12 сентября, к нему привлекли и супругу Сухомлинова. Бывшего министра обвинили во взяточничестве, измене и бездействии. 20 сентября его признали виновным в «недостаточной подготовке армии к войне» и приговорили к бессрочной каторге, которую заменили на заключение. Жену Сухомлинова оправдали. Бывший министр был освобождён по амнистии в 1918 году, когда ему исполнилось 70 лет, и уехал в Финляндию, а затем в Германию.