Вадим Дербенёв родился 18 июня 1934 года в Ярославле. Его отец Клавдий Михайлович Дербенёв в 1930-е годы работал на Ярославском резинокомбинате — служащим в разных должностях, заведующим клубом, сотрудником многотиражной газеты «Резиногигант» и радиовещания. Именно он заинтересовал своих сыновей Вадима и Иосифа (род. 1936) искусством кино. В семье устраивались домашние спектакли, которые снимались на фото. Большое влияние на выбор жизненного пути Вадима оказала подаренная ему книга Л. Кулешова «Основы режиссуры».
В 1942 — 1953 годах Клавдий Михайлович служил в ярославском управлении НКВД/НКГБ/МГБ. Во время войны принимал участие в проведении операции «Медведь», когда после поимки немецких диверсантов была организована радиоигра против фашистской разведшколы. После увольнения в запас написал несколько «шпионских» романов и повестей. В 1930-е — 1940-е Дербенёвы жили в одном из резинокомбинатских домов на проспекте Шмидта, 1 (ныне пр. Ленина). После войны переехали в Бутусовский посёлок.
В 1953 году Вадим Дербенёв окончил с серебряной медалью ярославскую школу № 44 и поступил на операторский факультет ВГИКа. Учился в мастерской Бориса Волчека, известного кинооператора, работавшего у режиссёра Михаила Ромма на съёмках фильмов «Пышка», «Ленин в Октябре», «Ленин в 1918 году», «Мечта», «Секретная миссия», «Убийство на улице Данте».
В 1957 году Вадим Дербенёв окончил ВГИК и по распределению был направлен в Кишинёв, где только создавалась киностудия «Молдова-филм». Первое время работал в качестве оператора-документалиста, снимал сюжеты для кишинёвского телевидения.
В 1958 году в Кишинёв приехал ещё один выпускник ВГИКа режиссёр Михаил Наумович Калик. Вместе с Дербенёвым они стали основоположниками молдавского кино, сняв первый в Молдавии художественный фильм «Атаман Кодр» (1958). В 1959 году на Всесоюзном кинофестивале Вадим Дербенёв получил за этот фильм Первую премию за лучшую операторскую работу.
Следующей совместной работой Калика и Дербенёва стал военный фильм «Колыбельная» (1959). «Снятый как бы в традиционно заданных границах реалистического кино, он ВДРУГ оказался средоточием целого ряда поэтических приемов, создающих ощущение правдивости и искренности кинообразов. Киноязык заменял поэтическое слово. И этой новой выразительности помогают и строго «по линейке» выстроенный кадр, и поворот головы актера, по строгому указанию режиссера, и музыкальная фраза, и пейзаж, и шумы, и звуки жизни. Поэзия кино одухотворила не только реалистический сюжет, но и вполне бытовые жизненные реалии, поступки людей, их внутренний мир — словом, весь киномир, создающий именно то «замирание сердца», которое и составляет цель искусства. Поэзия «Колыбельной» была сразу же замечена в мире Большого кино. «Так получилось, — говорил Калик, что фильм, понравившийся даже Екатерине Фурцевой, тогдашнему министру культуры, и одобренный Госкино, не попал по причине советской бюрократической проволочки на Венецианский фестиваль в конкурсную программу, как предполагалось ранее, а был показан вне конкурса. И там картину увидел один из крупнейших тогда кинокритиков и историков кино Жорж Садуль. В газете «Леттр Франсэз» он написал: "Калик принадлежит к советской «новой волне». У него есть талант и темперамент. Это имя надо запомнить. «Колыбельная», показанная почти тайно, в информационной секции, заслуживала участия в самом Венецианском фестивале больше чем другие фильмы"» (Лев Фрухтман).
Последняя совместная работа Калика и Дербенёва — фильм «Человек идёт за солнцем» (1961) — также была высоко оценена зарубежной критикой.
«Это фильм больших художественных достижений. Поэзия темы сочетается с удивительной манерой использования изображения и цвета» (газета «Ла Насьен», Буэнос-Айрес). «Похоже на то, что длительная зимовка в советском кино, наконец, закончилась. Лед после сталинизма тронулся и повел к новому освобождению искусства. Лучшим доказательством этого является фильм „Человек идет за солнцем“, сильная символическая тема которого выдвигает на передний план триумфальную художественную форму. Фильм стал маленьким чудом поэтической непосредственности и полных смысла переживаний» (Журнал «Ви», Стокгольм).
Сюжет фильма можно передать в одной фразе: поэтический рассказ о мальчике, идущем по любимому городу за солнцем и встречающем на своем пути людей — добрых и злых, чутких и равнодушных… Но то, что делали с цветом и движением камеры в этой картине режиссер Калик и оператор Дербенёв критики потом назвали «новой эстетикой советского кино».
Но это было потом. А сначала и сам фильм, и его авторы были подвергнуты остракизму и шельмованию. На заседании бюро Компартии Молдавии первый секретарь ЦК Иван Бодюл обвинил и их, и руководство киностудии в политической близорукости и аполитичности. А один из особо ретивых ревнителей коммунистической идеологии, секретарь ЦК товарищ Постовой в своём выступлении заявил: «А куда идёт мальчик в этом фильме? За солнцем, то есть — на Запад». И порекомендовал отправить авторов «на стройки коммунизма». А когда Калик заявил, что он там уже был (в 1951 году по сфабрикованному обвинению он был отправлен на 10 лет в ГУЛАГ, вышел после смерти Сталина в 1954 году, был реабилитирован и восстановлен во ВГИКе), Постовой ответил: «Значит, мало были, надо бы добавить». Вся эта «разборка» много лет спустя была прекрасно воссоздана Каликом в биографическом фильме «И возвращается ветер» (1990).
Фильм «Человек идёт за солнцем» был под угрозой уничтожения. Тогда Калик самовольно вынес со студии плёнку и тайно увёз в Москву, где показал картину своему учителю, известному режиссёру и общественному деятелю Сергею Юткевичу, который заступился за фильм. Так он был спасён.
С 1962 года Вадим Дербенёв начал работать в качестве режиссёра-постановщика. В Кишинёве им были поставлены фильмы «Путешествие в апрель» (1962), «Последний месяц осени» (1965) и «Рыцарь мечты» (1968). Самый большой успех имела картина «Последний месяц осени», в которой довольно ещё молодой актёр Евгений Лебедев играл старика, отправившегося из деревни проведать переехавших в город детей. На Всесоюзном кинофестивале в 1966 году фильм получил Премию за режиссуру и Приз «За разработку современной темы», а на Международном кинофестивале в Мардель-Плата (Аргентина) — Премию «Южный крест» и Специальный приз «За поэтическую атмосферу фильма».
Не остался фильм без внимания и Ивана Ивановича Бодюла. Он вызывал Дербенёва на беседу в связи с одним фрагментом. В картине есть эпизод, когда главный герой стоит возле шоссе, наблюдая за длинной колонной грузовиков, везущих зерно. Иван Иванович попросил вырезать эти кадры, объяснив это так: «Машины едут по шоссе, ведущему в сторону Украины и России. Молдаване скажут, что наше зерно вывозится из республики». Но Дербенёву удалось убедить Бодюла, что зрители в этом эпизоде увидят совсем другой смысл.
В 1969 году Дербенёв переехал в Москву и стал режиссёром киностудии «Мосфильм». Здесь он снял целую серию фильмов о балете Большого театра и несколько балетных фильмов-спектаклей. Уже первый из них — «Балерина» (1969) на Международном кинофестивале в Буэнос-Айресе в 1970 году получил Приз за лучший фильм-балет.
В дальнейшем Вадим Клавдиевич работал также режиссером-постановщиком ТО «Экран» (1970−1974). В 1974 снял в Ярославской области телевизионный фильм «Гончарный круг», в котором играли актёры Волковского театра Сергей Тихонов, Иосиф Кутянский и Лев Дубов.
В начале 1980-х его приглашали на «Молдову-филм» снять что-нибудь «для поправки бюджета». Дербенёв тогда экранизировал известный роман Уилки Коллинза «Женщина в белом». Фильм с успехом шёл на экранах всей страны, его посмотрели двадцать с половиной миллионов зрителей. Большим успехом у зрителей в 1980-е годы пользовались остросюжетные фильмы Дербенёва «Тайна „Чёрных дроздов“» и «Загадка Эндхауза» (по романам Агаты Кристи), а также «Змеелов» (по роману Лазаря Карелина).
В 1985 году в Ярославле Вадим Дербенёв снял философскую притчу «Чёрный коридор» по повести Владимира Тендрякова «60 свечей», главную роль в которой сыграл Иннокентий Смоктуновский. Это история заслуженного учителя, который думал, что учит детей правильно жить, а фактически порой склонял к предательству.
После развала СССР Вадим Клавдиевич работал режиссёром в ТО «Сериал» (1994−1995) и кинокомпании «Дом фильм» (2000−2005). Снял несколько остросюжетных сериалов.
В 2007 году в Волковском театре Вадим Клавдиевич поставил спектакль «Бульвар удачи» (пьеса Е. Скороходовой при участии В. Дербенева). Премьера состоялась 25 февраля 2007 г. Спектакль шёл на протяжении 15-ти сезонов - последний показ состоялся 17 марта 2021 года.