Основно образование получава в родния си град. После учи в историко-филологическия факултет в Петербург. През 1891 г. защищава кандидатска дисертация „Писмото на Цариградския патриарх Николай Мистал до българския цар Симеон". От 1897 г. е доцент, от 1901 — извънреден професор, а от 1906 — редовен професор в СУ „Климент Охридски". След 1921 г. е титуляр на катедрата по българска история. Ректор на СУ през 1924 г. Оформя се като историк под ръководството на руските византолози В. Т. Василевски и В. И. Лемански. Специализира в Берлин.
В продължение на много години събира и систематизира материалите за средновековната българска история. Обнародвал е над 200 научни труда През 1910—1912 г. прави разкопки на средновековната крепост Червен. Публикува старобългарски надписи.
Васил Н. Златарски е виден историк, археолог и епиграф. От 1898 г. е дописен член на БКД, а от 1900 г. е действителен член на БАН, член на Българския археологически институт от 1910 г., член на Московското археологическо дружество и на руския археологически институт в Цариград от 1899 г., почетен доктор на Харковския университет, 1907 г.; член на академиите на науките в Петербург, Прага, Загреб, Хелзинки и още на много други.
Най-известни негови трудове са: История на българската държава през средните векове — т. I, ч. 1 и 2, 1916, т. II и III, 1927-1934, а 1940 посмъртно 1916, 1927, 1934, 1940/1970, 1972; .„Приемниците на Омуртага", 1896; „Писмата на византийския император Романа Лаксенина до българския цар Симеон", 1896; „България през VIII в. „1902; „Имали ли са българите свое летоброене", 1911; „Сюлейманкьойския надпис", 1914 и др. Избрани произведения, т. I, 1972; Пълна биография, Известия на историческото дружество, 1937, кн. 14—15, с. 17—26.
Васил Златарски има заслуги за развитието на българската археология. Прави разкопки на вътрешния град на Преслав, 1897 г., проучва манастира в м. „Патлейна" и средновековната крепост Червен — 1910—1912. В близо полувековната си интензивна научно-изследователска дейност В. Златарски оставя продукция, в по-голямата част посветена на Средновековната българска държава. Отделил е внимание на известни моменти от историята на Българското възраждане. Трудовете му почиват на солидна документална база и критично отношение към ползваните извори.
Живял в София на ул. "Асен Златаров" - двуетажна къща, на която през 1964 г. е поставена табела "В този домм живя и работи от 1907 г. до края на живота си големият български историк акад. проф. Васил Златарски 1866-1935".
Целият архив на Васил Златарски (писма, документи, фотографии, тетрадки и пр.) влезе в хранилището на Архивния институт при БАН като фонд № 9, Биографични данни за В. Н. Златарски могат да се почерпят и в СГОДА, ф. 994, оп. 2, а.е.250 (Златарска, Креса Баща ми Васил Златарски, София, НИ, 1975, стр. 6)