Γεννήθηκε στις 12 Απρίλη 1945 στην Αθήνα. Η μητέρα του ήταν Μικρασιάτισσα και ο πατέρας του Αθηναίος, τον οποίο έχασε πολύ μικρός. Τελειώνοντας το Δημοτικό, εργάζεται ως εμποροϋπάλληλος, ενώ παράλληλα αρχίζει το νυχτερινό Γυμνάσιο και λίγο αργότερα σπουδάζει μουσική στο Ελληνικό Ωδείο. Το 1966 ξεκινάει τη μουσική του περιπλάνηση. Είναι η εποχή του Νέου Κύματος. Στην μπουάτ «Κατακόμβη» θα συνοδεύσει στο πιάνο πρωτοεμφανιζόμενους, όπως κι εκείνος νέους τραγουδιστές για να συνεχίσει με την Καίτη Χωματά στην «Παράγκα» μέχρι την 21η Απριλίου 1967, όταν η «Παράγκα» θα κλείσει. Στη δεκαετία του 1970 συνεργάστηκε με σπουδαίους καλλιτέχνες, από την Σωτηρία Μπέλου και τη Χαρούλα Αλεξίου, έως τον Γιάννη Καλαντζή, τον Μανώλη Μητσιά, τη Δήμητρα Γαλάνη, τον Γιώργο Νταλάρα, την Ελένη Βιτάλη, κ.ά.

Στη δεκαετία του 1980 αλλά κυρίως σε αυτή του 1990 ο Βασίλης Δημητρίου υπέγραψε τη μουσική και τους στίχους για πολλές τηλεοπτικές σειρές: Εγραψε τους στίχους στο «Βαμμένα Κόκκινα Μαλλιά» (1993), στο «Πρόβα Νυφικού» (1995) και «Παλίρροια» (1997) ενώ συνέθεσε τη μουσική για τη σειρά «Η Αγάπη Αργησε μια Μέρα» (1997). Μια από τις μεγαλύτερες επιτυχίες του είναι το «Πόσο πολύ σ' αγάπησα» σε στίχους Κατίνας Παΐζη και τη μοναδική ερμηνεία του Χρήστου Θηβαίου.

Σημαντικό υπήρξε το έργο του και στο θέατρο. Μεταξύ πολλών άλλων είχε γράψει τη μουσική στις περίφημες παραστάσεις «Φαύστα», «Μήδεια» και «Ρωμαίος και Ιουλιέτα» του Μποστ στη δεκαετία του 1990, καθώς και στις «Νεφέλες» και τους «Ορνιθες» που ανέβηκαν στην Επίδαυρο το 1994.

Στη δισκογραφία έβαλε τη σφραγίδα του σε περισσότερα από 350 τραγούδια, ενώ κυκλοφόρησε 28 προσωπικούς δίσκους, ως αποτέλεσμα συνεργασίας με ποιητές και στιχουργούς, όπως οι Νίκος Γκάτσος, Μάνος Ελευθερίου, Λευτέρης Παπαδόπουλος, Βαγγέλης Γκούφας, Ακος Δασκαλόπουλος, Γιάννης Λογοθέτης, Γιάννης Κακουλίδης, Νάνος Βαλαωρίτης, Πάμπλο Νερούδα κ.ά.