Родился в семье профессора Габриэля Шершеневича, известного юриста и впоследствии депутата I Государственной Думы; с 1907 жил в Москве. Учился в частной гимназии, основанной Л. И. Поливановым (в ней же ранее учились В. Брюсов, Андрей Белый, С. М. Соловьев, в одном классе с Вадимом — шахматист Александр Алехин), в Московском университете — сперва на математическом, потом на историко-филологическом факультетах, некоторое время стажировался в Мюнхенском университете.
Писать стихи начал в гимназические годы, пробуя разные манеры. В первых поэтических сборниках («Весенние проталинки» (1911), «Carmina» (1913)) ощущается сильнейшее влияние мэтров символизма — Бальмонта, Брюсова, Блока. Последующие — «Романтическая пудра», «Экстравагантные флаконы» (оба — 1913) ненадолго сближают Шершеневича с эгофутуристами. С конца 1913 Шершеневич состоял в небольшой московской футуристической группе «Мезонин поэзии». Часто печатался под различными псевдонимами.
В середине 1910-х участвовал в литературных диспутах, опубликовал стиховедческую работу «Зелёная улица», переводил литературные манифесты теоретика итальянского футуризма Ф. Маринетти. Претендовал на роль теоретика русского футуризма с ориентацией на Запад (роль, аналогичную той, которую играл в символизме В. Я. Брюсов), что стимулировалось приятельскими отношениями Шершеневича с Брюсовым. Редактировал «Первый журнал русских футуристов» (1914), что вызвало нарекания как коллег по изданию (Давид Бурлюк, Бенедикт Лившиц, впоследствии назвавший Шершеневича «самовлюблённым графоманом»), так и оппонентов (прежде всего группы «Центрифуга»; с резким выпадом против Шершеневича выступил входивший тогда в «Центрифугу» Борис Пастернак — статья «Вассерманова реакция»). Во время Первой мировой войны был на фронте в качестве вольноопределяющегося. В этот период Шершеневич обретает свою манеру, в значительной части сохранившуюся и в имажинистский период; она представлена сборником «Автомобилья поступь» и драмой «Быстрь» (оба 1916).
В 1919 — один из главных основателей группы имажинистов (С. Есенин, А. Мариенгоф, А. Кусиков). Термин (в форме «имажионизм») и интерес к «слову-образу» появляется уже в футуристических работах Шершеневича 1910-х годов; связь его с англо-американским имажизмом сомнительна. В 1918 Шершеневич публикует одно из самых значительных своих произведений — любовную поэму «Крематорий», являющуюся своего рода ответом на «Облако в штанах» Маяковского (переиздана в следующем году с подзаголовком «Поэма имажиниста»). В начале 1920-х издаёт сборники «Лошадь как лошадь» (наиболее известная его книга), «Кооперативы веселья», трагедию «Вечный жид», участвует в коллективных изданиях «Коробейники счастья», «Одна сплошная нелепость», «Золотой кипяток» и «Мы Чем Каемся» (конфискована из-за провокационного названия, напоминающего о московской ЧК), сборниках «Имажинисты» и журнале «Гостиница для путешествующих в прекрасном». Читает стихи с эстрады, пользуясь громадной популярностью среди московской публики; продолжается начавшееся ещё до революции соперничество Шершеневича с Маяковским. Был председателем московского отделения Всероссийского союза поэтов (1919).
Для творчества Шершеневича характерно нагнетание городских метафор, тематика трагической чувственной любви, эпатаж, основанный, как и у ранних футуристов, на эстетизации безобразного и богоборческих мотивах, бурлескные образы (интерес к клоунаде, «гаерству» устойчив для его биографии), сознательно экспериментальная «брюсовская» разработка приёмов (подчёркнутая названиями стихотворений из книги «Лошадь как лошадь» вроде «Принцип звука минус образ» или «Параллелизм тем»), принципиально декларируемый аполитизм искусства (в 1919 арестовывался за контакты с партией анархистов). С формальной точки зрения — акцентный стих (который он разрабатывал параллельно с Маяковским) и тактовик, позже диссонансная рифма. Автор теоретической работы об имажинизме «2х2=5» (1920) и сборника эссе о творчестве товарищей по группе «Кому я жму руку» (1921).
Последняя книга оригинальных стихов — сборник «Итак, итог» (1926), последовательно построенная на рифмах-диссонансах. В том же году написал антиутопическую пьесу «Мещантика» (не опубликована при жизни).
Значительная часть работы Шершеневича связана с кино и театром; работал как драматург, режиссёр, критик, сценарист, переводчик. Автор выдержавшей два издания книги «Игорь Ильинский». В 1930-е переводил на русский язык пьесы В. Шекспира, П. Корнеля, В. Сарду, немецкую (Рильке, Лилиенкрон) и французскую (включая полный перевод «Цветов зла» Бодлера) поэзию, либретто популярных оперетт, работал над книгой мемуаров «Великолепный очевидец» (несмотря на автоцензурные попытки приспособить её к условиям советской печати, издана она при жизни автора не была). Представляющие большой интерес оригинальные произведения Шершеневича 1930-х годов также опубликованы только в 1990-е. «Цветы зла» в переводе Шершеневича изданы впервые в 2007 г.
Осенью 1941 эвакуировался на Алтай. Участвовал в литературных концертах на оборонных заводах и в военных госпиталях Барнаула, писал тексты для агитационных плакатов. Скончался после тяжелой скоротечной болезни (милиарного туберкулёза). Похоронен на Булыгинском кладбище. В фондах Государственного музея истории литературы, искусства и культуры Алтая имеются материалы о барнаульском периоде жизни поэта.