мая 1967 года был зачислен в отряд космонавтов Центра подготовки космонавтов ВВС (ЦПК; ныне Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина) слушателем-космонавтом (4-й набор) и прошел курс общекосмической подготовки. В августе 1969 года был назначен космонавтом.

С 1969 года готовился к полетам на космических кораблях типа "Союз" и орбитальных станциях "Салют". В 1969-1973 годах входил в состав группы космонавтов по программе "Спираль" (создание пилотируемого орбитального самолета). В 1972-1973 годах в ГНИИ ВВС освоил 10 типов самолетов, в том числе МиГ-21СМТ, МиГ-2ШФ, Су-7БКЛ, Су-9, Ту-22М (был ведущим летчиком при его испытании) и др.

Свой первый полет в космос совершил 25 февраля - 19 августа 1979 года с Валерием Рюминым. Был командиром корабля "Союз-32" и третьей основной экспедиции на орбитальную станцию "Салют-6". Экипажем впервые был смонтировал на орбите космический радиотелескоп - КРТ-10. По плану, космонавты должны были собрать его в переходном отсеке станции и вытолкнуть в космос, но антенна телескопа зацепилась за конструкцию станции. Ляхову и Рюмину пришлось выйти в открытый космос, чтобы вручную отделить телескоп от станции. Экипаж вернулся на Землю на корабле "Союз-34", пробыв в космосе 175 суток.

В мае 1980 году Ляхов был назначен инструктором-космонавтом ЦПК, а в январе 1982 года - космонавтом-испытателем.

В ходе второго полета, с 27 июня по 23 ноября 1983 года (около 150 суток) с Александром Александровым. Был командиром корабля "Союз Т-9" и второй основной экспедиции на станцию "Салют-7". Экипаж дважды выходил в открытый космос для установки двух дополнительных секций солнечных батарей на центральной панели станции.

С февраля 1985 года Ляхов занимал должность инструктора-космонавта-испытателя ЦПК, с мая 1987 года был начальником отдела. В 1985-1987 годах прошел подготовку по программе космонавта-спасателя.

Третий и последний космический полет проходил с 29 августа по 7 сентября 1988 года в качестве командира корабля "Союз ТМ-6", на борту которого также находились Валерий Поляков и афганский космонавт Абдул Моманд. Ляхов и Моманд проработали на станции "Мир" семь суток по советско-афганской программе в рамках четвертой экспедиции посещения. При возвращении на Землю с афганским космонавтом (Поляков остался на станции) на корабле "Союз ТМ-5" произошла нештатная ситуация. Из-за сбоя системы автоматической ориентации корабля экипажу пришлось пробыть на орбите более суток в автономном полете (запас кислорода был рассчитан на двое суток). Космонавты благополучно приземлились после того, как Ляхов вручную настроил аппаратуру спускаемого аппарата корабля на сход с орбиты.

За три полета Ляхов в общей сложности провел в космосе 333 суток 7 часов 48 минут 4 секунды, всего совершил три выхода в открытый космос общей продолжительностью 7 часов 8 минут.

С октября 1988 года работал в ЦПК заместителем начальника управления (по подготовке космонавтов), с марта 1993 года был заместителем командира отряда космонавтов, инструктором-космонавтом-испытателем.

19 августа 1994 года приказом Минобороны РФ уволен в запас по возрасту, а 7 сентября того же года приказом начальника ЦПК отчислен из отряда космонавтов.

После ухода из ЦПК, с января 1995 года по 1998 год работал заместителем генерального директора редакционно-издательской фирмы "Россия". С 1998 года находился на пенсии.

Был членом КПСС (с 1963 года), депутатом городского Совета народных депутатов города Щелково Московской области (1989-1990).

Полковник запаса (с 1994 года). Летчик-испытатель 3-го класса (1973), военный летчик 1-го класса (1974); общий налет - более 4,5 тыс. ч. Инструктор парашютно-десантной подготовки ВВС (1972). Космонавт 1-го класса (1988).

Дважды удостоен звания Героя Советского Союза с вручением медалей "Золотая Звезда" (1979, 1983). Кавалер двух орденов Ленина (1979, 1983). Награжден орденом Октябрьской Революции (1988), медалью "За заслуги в освоении космоса" (2011).

Отмечен иностранными наградами: Герой Республики Афганистан (1988), афганский орден "Солнце Свободы" (1988), орден "Народная Республика Болгария" I степени (1988), орден Сухэ-Батора (Монголия), орден "За заслуги" III степени (Украина; 2001).

Награжден Золотой медалью имени К.Э. Циолковского Академии наук СССР.

Летчик-космонавт СССР (1979). Почетный гражданин города Байконур (Казахстан; 1979), Луганской области (Украина).

Был женат на Зинаиде Елисановне Ляховой (в девичестве Есмурзаева; род. в 1945 году), работала бухгалтером. Сын - Юрий (родился в 1964 году), летчик гражданской авиации. Дочь - Ольга (родилась в 1970 году).

В Чугуеве Харьковской области на Алее героев установлен общий памятник летчикам-космонавтам, выпускникам Чугуевского и Харьковского авиационных училищ - Владимиру Ляхову, Алексею Леонову и Юрию Малышеву.

Имя Владимира Ляхова носит молодежный военно-патриотический центр, действующий в городе Темрюке Краснодарского края.