Василий Сергеевич Ефремов родился 14 января 1915 года в Царицыне в семье рабочего. Русский. В 1929 году окончил 7 классов и в 1932 году — школу фабрично-заводского ученичества в Сталинграде.

В Красной Армии с 1934 года. В 1937 году окончил Сталинградскую военную авиационную школу летчиков. Служил в ВВС летчиком и старшим летчиком 33-го скоростного бомбардировочного авиационного полка в Киевском особом военном округе (Белая Церковь). Летал на бомбардировщике СБ.

Участвовал в Советско-финской войне 1939—1940 годов в качестве летчика-бомбардировщика, командира авиационного звена. Участвовал в боях на Мурманском направлении. Совершил 3 боевых вылета на бомбардировщике СБ.

Во время Великой Отечественной войны, с июня 1941 года по сентябрь 1944 года, Ефремов был командиром авиазвена, заместителем командира и командиром авиаэскадрильи 10-го гвардейского бомбардировочного авиаполка. Участвовал в боях на Юго-Западном (июнь1941 – август 1942), Сталинградском (август 1942 - январь 1943), Южном (январь - октябрь 1943), 4-м Украинском (октябрь 1943 – май 1944) и 3-м Белорусском (июнь – сентябрь 1944) фронтах.

Участвовал в оборонительных боях на Украине, обороне Киева, оборонительных боях на воронежском и харьковском направлениях, Воронежско - Ворошиловградской операции, Сталинградской битве, Донбасской, Мелитопольской, Никопольско-Криворожской, Крымской, Витебско-Оршанской, Минской, Вильнюсской и Каунасской операциях.

10 июля 1941 года его СБ был подбит в районе города Коростышев (Житомирская область), экипаж покинул самолет на парашютах. После приземления В.С. Ефремов и раненый штурман экипажа Н.М. Николаев примкнули к группе отступающих красноармейцев и через несколько дней вышли к своим в районе города Ирпень (Киевская область). Вскоре линию фронта перешел и стрелок – радист А.Я. Сирота.

В боях за родной Сталинград Ефремов совершил 198 боевых вылетов, уничтожил 5 железнодорожных эшелонов, 15 автомашин с военными грузами, 11 самолетов и другую боевую технику противника. В период Сталинградского сражения ему приходилось подниматься в воздух и вести бой по несколько раз в день.

К февралю 1943 года командир эскадрильи 10-го гвардейского бомбардировочного авиаполка (270-я бомбардировочная авиадивизия, 8-я воздушная армия, Южный фронт) гвардии капитан Ефремов совершил 293 боевых вылета на бомбардировку скоплений живой силы и боевой техники противника.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 мая 1943 года за образцовое выполнение боевых заданий по бомбардировке и разведке противника и проявленные при этом героизм и отвагу Ефремову Василию Сергеевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 733).

Экипаж самолета под командованием В. С. Ефремова уничтожил 32 самолета противника на аэродромах и 4 в воздушном бою. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 августа 1943 года за 340 успешных боевых вылетов гвардии капитан Ефремов Василий Сергеевич награжден второй медалью «Золотая Звезда».

Осенью 1944 года был отозван с фронта для обучения в Военно-воздушной академии в Монино.

В 1949 году, окончив Военно—воздушную академию, подполковник В.С. Ефремов служил заместителем командира авиаполка, затем — летчиком-испытателем. Овладел полетами на многих типах самолетов в различных метеорологических условиях.

С 1960 года полковник Ефремов В. С. — в запасе, а затем — в отставке.

Прославленному воздушному асу была доверена высокая честь — нести факел с Вечным огнем на Мамаев курган во время торжественного открытия Памятника—ансамбля «Героям Сталинградской битвы».

Решением Волгоградского городского Совета народных депутатов от 7 мая 1980 года «за особые заслуги, проявленные в обороне города и разгроме немецко-фашистских войск в Сталинградской битве» Василию Сергеевичу Ефремову присвоено звание «Почетный гражданин города-героя Волгограда».
Заслуженный ветеран жил в столице Украины — городе-герое Киеве, где и скончался 19 августа 1990 года. Согласно завещанию, похоронен в Волгограде, на Мамаевом кургане.

В память о нем установлена мемориальная плита на Мамаевом кургане в Волгограде. В городе-герое Волгограде в сквере у здания медицинского университета, там где Аллея Героев пересекает проспект имени В.И. Ленина, на высоком постаменте в 1952 году установлен бронзовый бюст Дважды Героя Советского Союза.

Кроме того был награжден двумя Орденами Ленина; орденом Красного Знамени; двумя Орденами Отечественной войны 1-й степени; двумя Орденами Красной Звезды; медалями.