Народився Володимир Дмитрович Фатальчук у місті Горохові на Волині. Його батько вчителював у місцевій школі. 1908 року сім'я переїхала в Умань, де Володимир здобув середню освіту, а 1923 року закінчив художньо-керамічну школу. Коли в Київському художньому інституті почав діяти поліграфічний факультет з майстернями деревориту, офорта, літографії та поліграфічних технік, у числі його перших студентів був Володимир. Вчителі із фаху - В. Касіян, А. Середа, І. Плещинський, В. Юнг, С. Налепінська-Бойчук. По закінченні навчання в 1929 році стажувався в Харківській хромолітографії імені Дзержинського.
Володимир Фатальчук працював у галузі плаката, книжкової, промислової і станкової графіки, медальєрного мистецтва. Він стояв біля джерел народження й становлення українського плаката, яке відбувалось під сильним впливом більшовицької ідеї соціального перетворення світу. Перший з відомих україномовних дуже ранніх його творів "Своєчасним ремонтом машин забезпечимо виконання планів третьої більшовицької весни" (кольорова літографія) датується 1923 роком і зберігається у фондах Національної бібліотеки України імені В. І. Вернадського. Радянська влада залучала для агітації й пропаганди своїх ідей найталановитіших художників. Плакати Фатальчука, як і вся плакатна продукція першої половини буремного XX століття, були потужним важелем ідеологічного впливу на масову свідомість ("Більшовицька віялка. Через суцільну колективізацію знищимо куркуля як клясу, перетворимо село старе на нове, соціалістичне", 1930-1931). Водночас поряд з виразною політичною складовою плакати є продуктом художньої творчості, своєрідним мистецьким явищем. Вони зберігають для історії частку часу, несуть у собі сліди соціального ладу, дух епохи, що відійшла в минуле.
В роки Другої світової війни Фатальчук теж був задіяний у сфері агітаційної графіки. Сповнені глибокого патріотичного почуття плакати, присвячені жінкам: "Самовідданою роботою в тилу наблизимо годину остаточної перемоги над ворогом" (1944). Цей плакат-заклик (гасло) було створено у співавторстві з Ольгою Юнак.
Нерозривний зв'язок між фронтом і тилом художники розкривають за допомогою композиційно вдалого прийому: образ жінки-робітниці, яка закликає докласти всіх зусиль, щоб забезпечити фронт боєприпасами, подано на фоні наступу частини Червоної Армії і червоного прапора, що символізує близьку перемогу над ворогом.
У групі героїчної плакатної продукції воєнної доби привертає увагу твір "Слава радянським партизанам" (1944). Зріз емоційного настрою людей передає плакат 1945 року "Прекрасна Україна, возз'єднана, єдина".
У плакатах Фатальчука перших повоєнних років, позначених розмахом відбудовних робіт, насичених пафосом праці людей, які піднімали з руїн міста й села, домінуюче місце належало господарській тематиці.
Багато й плідно працював Фатальчук у галузі мистецтва художнього оформлення книги. Його естетичні принципи сформувалися ще в кінці 20-х років XX століття. Спираючись на традиції української книжкової гравюри ХУІ-ХУІІІ століть, художник прагнув створити неповторний вигляд української книги, в якій зовнішнє оформлення й ілюстрації утворювали єдиний гармонійний ансамбль. У співавторстві з художницею О. Юнак він ілюстрував твори українських та зарубіжних письменників, видання дитячої літератури, фольклору. Багато талановитих робіт цих митців відзначено дипломами та грамотами.
Оригінальним і яскравим почерком відзначається художнє оформлення вибраних творів Онаре де Бальзака (1950); "Українських народних казок" (1951); "Запорожець за Дунаєм" С. Гулака-Артемовського (клавір, 1954); "Антологія української поезії" (т. 1-4, 1957); оправа клавіру "Лісової пісні" М. Скорульського (1958); "Українська драматургія першої половини XIX століття" (1959); "Українські народні пісні" (т. 1-2, 1964-65); драма-феєрія "Лісова пісня" Лесі Українки (1965); "Хмельницький" Івана Ле (1969) та інші. З тонким смаком поєднано тут класичний пластично виразний шрифт із соковитим орнаментальним декором.
Невичерпним джерелом натхнення для Фатальчука була творчість Т. Г. Шевченка. Любов'ю і повагою до великого українського поета сповнено оформлення "Кобзаря" (1960, 1980) та виконання оправи до деяких інших його творів (1960-1963).
Працюючи в галузі медальєрного мистецтва, він розробляв ескізи пам'ятних значків і ювілейних медалей (1964-1970). У співавторстві з О.Юнак та О. Олійником розробив ескіз ювілейної медалі до 150-річчя від дня народження Т. Г. Шевченка.
Був активним учасником багатьох виставок: республіканських з 1935; всесоюзних з 1950; зарубіжних з 1958.
20 лютого 1981 року В. Д. Фатальчук помер, похований у Києві.