Окончив гимназию в 1871 году, Шухов по совету отца поступил на инженерно-механическое отделение Императорского Московского технического училища (ныне — Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана).
В последний год обучения студент Шухов зарегистрировал своё первое изобретение — паровую форсунку («прибор, производящий разбрызгивание мазута в топках, используя упругость водяных паров»). Такая форсунка стала впоследствии одной из «изюминок» паровых котлов «Конторы инженера Бари».
После окончания с отличием в 1876 году училища в составе научной делегации Шухов был направлен для ознакомления с достижениями промышленности в США — на Всемирную выставку. Вернувшись, он поступил на службу в управление Варшавско-Венской железной дороги на должность начальника чертёжного бюро, где проектировал паровозные депо и одновременно стал вольнослушателем Военно-медицинской академии.
Летом 1877 года А. В. Бари пригласил Шухова в Баку, где тогда начиналось бурное развитие нефтяного дела. Здесь по заказу братьев Нобель Шухов и Бари построили первый в Российской Империи нефтепровод, соединявший Балаханы и Чёрный город (заводской район Баку), где тогда перегоняли нефть. Нефтепровод протяжённостью 10 километров был введён в эксплуатацию в декабре 1878 года. Нефтепровод позволял перекачивать при помощи парового насоса по трёхдюймовой трубе до 1280 тонн. Здесь же Шухов разработал и построил первые в мире цилиндрические резервуары-нефтехранилища.
Вслед за первым нефтепроводом по заказу Г. М. Лианозова Шухов и Бари строят следующий — длиной уже 11 вёрст (около 12 километров).
Работая на нефтяных промыслах в Баку, В. Г. Шухов разработал основы подъёма и перекачки нефтепродуктов, предложил метод подъёма нефти с помощью сжатого воздуха — эрлифт, разработал методику расчёта и технологию строительства цилиндрических стальных резервуаров для нефтехранилищ.
В 1880 году Бари создал свою фирму «Техническая контора инженера А. В. Бари» (позже «Строительная контора инженера А. В. Бари»), куда пригласил Шухова на должность главного конструктора и главного инженера.
Уже через полгода Шухов изобрёл форсунку, с помощью которой впервые в мире осуществил промышленное факельное сжигание мазута. Основы классической теории нефтепроводов, используемой и поныне, Шухов изложил в 1884 году в статье «Нефтепроводы».
Шухов примерно с 1885 года начал строить на Волге первые русские речные танкеры-баржи. Монтаж осуществлялся точно запланированными этапами с использованием стандартизированных секций на верфях в Царицыне и Саратове.
В. Г. Шухов и его помощник С. П. Гаврилов разработали промышленный процесс получения автомобильного бензина — непрерывно действующую трубчатую установку термического крекинга нефти (патент Российской империи № 12926 от 27 ноября 1891 года). Установка состояла из печи с трубчатыми змеевиковыми нагревателями, испарителя и ректификационных колонн.
В 1896 году Шухов изобрёл новый водотрубный паровой котёл в горизонтальном и вертикальном исполнении (патенты Российской империи № 15 434 и № 15 435 от 27 июня 1896 года). В 1900 году на Всемирной выставке в Париже за них Шухов получил золотую медаль. Котлы Бельвиля — Шухова были установлены на броненосцах «Князь Потемкин-Таврический», «Евстафий» и «Иоанн Златоуст».
В. Г. Шухов является изобретателем первых в мире гиперболоидных конструкций и металлических сетчатых оболочек строительных конструкций (патенты Российской империи № 1894, 1895, 1896). Для Всероссийской промышленной и художественной выставки 1896 года в Нижнем Новгороде В. Г. Шухов построил восемь павильонов с первыми в мире перекрытиями в виде сетчатых оболочек, первое в мире перекрытие в виде стальной мембраны (Ротонда Шухова) и первую в мире гиперболоидную башню удивительной красоты, которая была куплена после выставки меценатом Ю. С. Нечаевым-Мальцовым и перенесена в его имение Полибино (ныне — в Липецкой области; сохранилась до настоящего времени). Оболочка гиперболоида вращения стала совершенно новой, никогда ранее не применявшейся в архитектуре, формой. После Нижегородской выставки 1896 года В. Г. Шухов разработал многочисленные конструкции разнообразных сетчатых стальных оболочек и использовал их в сотнях сооружений: перекрытиях общественных зданий и промышленных объектов, водонапорных башнях, морских маяках, мачтах военных кораблей и опорах линий электропередач. 70-метровый сетчатый стальной Аджигольский маяк под Херсоном — самая высокая односекционная гиперболоидная конструкция В. Г. Шухова. Радиобашня на Шаболовке в Москве стала самой высокой из многосекционных шуховских башен (160 метров).
Шухов изобрёл также арочные конструкции покрытий с тросовыми затяжками. До нашего времени сохранились арочные стеклянные своды покрытий В. Г. Шухова над Фирсановским (Петровским) пассажем. В конце XIX века Шухов вместе со своими сотрудниками составил проект новой системы водоснабжения Москвы.