Военную службу Романов начал в 12 лет — поступил в Сумской кадетский корпус, затем окончил Первый кадетский корпус в Москве и прошёл двухгодичные курсы в Тверском кавалерийском училище.

В 1910 году корнетом служил в Новороссийском драгунском полку, где был назначен младшим офицером эскадрона Её Величества, специального гвардейского подразделения. 

Первую мировую войну (1914 — 18 гг.) Романов начал в кавалерии. Первые ордена — Святого Станислава 3-й степени и Святой Анны 4-й степени — получил за действия в качестве ординарца: в бою под обстрелом вовремя передавал приказы командующего.

Когда началось формирование первых авиационных отрядов Владимир Романов подал рапорт и был принят наблюдателем 13-го корпусного авиаотряда. Летал сначала на разведывательных аэропланах и в июне 1915 года получил Орден Святого Георгия 4-й степени за сложный разведывательный полет под огнем противника.

В октябре 1915 года Романов был командирован в Севастопольскую военную авиационную школу, где сдал экзамен на звание военного летчика и получил назначение в Эскадру воздушных кораблей.

Уже в феврале 1917 года Романов летал на воздушных кораблях «Илья Муромец» — четырёхмоторном биплане, используемом в Первой Мировой войне как бомбардировщик.

На момент начала Гражданской войны (1918 — 20 гг.) Романов был в числе первых офицеров, записавшихся в Красную армию, которую создавала советская власть для борьбы с иностранной интервенцией.  Тем не менее к нему отнеслись с подозрением: царский офицер, орденоносец, да еще с фамилией, которую носили представители правящей династии. За четверть века службы в Красной Армии Романова шесть раз арестовывали и держали под следствием по подозрению в контрреволюционной деятельности. Впрочем, зацепиться было не за что — военный летчик был сосредоточен на военной службе.

В августе 1918 года Владимира Александровича назначили командиром учебной авиационной эскадры, а уже в 1919 году Романов в составе авиационной группы специального назначения (которую он сам воспитал) воевал на Южном фронте.  Романов стал одним из первых летчиков, освоивших бомбометание, и лично готовил боеприпасы перед очередным вылетом. Бомб в промышленных масштабах еще не выпускали, и летчики во время бомбежек использовали стандартные армейские боеприпасы – гранаты, мины ударного действия, а при отсутствии подходящих боеприпасов даже метали с неба стальные стрелы.

В 1920 году Романов был арестован органами ВЧК «как участник заговора против Советской власти» и заключён в Ивановский концентрационный лагерь. Но уже через год его освободили.

Романов уехал в Сибирь, где работал в уездном военном комиссариате. Спустя два года его отыскали и предложили преподавать в Высшей школе военной стрельбы и бомбометания. Так он вернулся в военную авиацию, став сначала командиром эскадры, а после – отдельного авиаотряда, который был учебным подразделением будущих пилотов тяжелых бомбардировщиков.

Интересно складывалась его карьера. За пятнадцать довоенных лет его четырежды отстраняли от работы, отправляли под следствие, лишали звания и даже увольняли из авиации. С тем чтобы спустя какое-то время вернуть ему звания, награды и снова принять на военную службу. Единственное до чего могли докопаться чекисты – это наличие «царской» фамилии, менять которую Романов отказывался наотрез. Но движение вверх по служебной лестнице прекратилось, и летчик перешел в гражданскую авиацию, в которой проработал все 30-е годы. При этом за годы службы в советской авиации Романов был награжден орденом Красной звезды и персональной пенсией Правительства СССР. Он получил звание «Лучший авиатор» за безаварийный налет 1 миллиона километров на внутренних линиях воздушного сообщения.

К началу Великой Отечественной войны (1941 — 45 гг.) Романову было 52 года. О воздушных боях не могло быть и речи — здоровье подводило, реакция была уже не та. Тогда летчик перешел в санитарную авиацию и был направлен на Западный фронт в Белоруссию. Не один десяток раз он летал в глубокий тыл врага, садился на лесных полянах, чтобы вывезти раненых из окружения. В его боевой характеристике, которая сохранилась на сайте «Подвиг народа», говорится: «пилот санитарной авиации В.В. Романов налетал 563 часа, перевезя 513 раненых бойцов и командиров, сделав 262 боевых санитарных рейса». Но в ноябре 1941 г. Романов получил сильную травму ноги и был эвакуирован в Новосибирск, где продолжал работать в качестве инструктора. Владимир Романов ушел из жизни в марте 1946 года в военном госпитале в Москве. Летчика похоронили на Ваганьковском кладбище с воинскими почестями. Перед гробом несли императорские и советские ордена лётчика, который служил Родине.