Всеволод Васильевич Санаев родился (12) 25 февраля 1912 года в Туле. Уже подростком он начал свой трудовой путь, работая на Тульской гармонной фабрике.
В начале 1930-х годов началась его актерская карьера - в 1931–1932 годах Санаев был актером вспомогательного состава Тульского театра драмы, а окончив в 1937-м ГИТИС, работал в различных столичных театрах. Сначала поступил в труппу МХАТа, с 1943 года работал в Театре им. Моссовета, в 1946-1994 годах - в Театре-студии киноактера, а также в 1952-1956 годах играл во МХАТе.
В первый раз он снялся в кино, сыграв лесоруба в фильме «Волга-Волга» в 1938 году – это была небольшая эпизодическая роль. Первая большая кинороль Санаева – роль Добрякова в кинофильме 1940 года «Любимая девушка».
В кино Всеволод Санаев играл как положительных героев (большевик Емельянов в «Рассказах о Ленине», старшина Козлов в фильме «Пять дней, пять ночей», майор Сазонов в фильме «Это случилось в милиции», полковник Зорин в фильме «Возвращение Святого Луки», полковник Лукин в «Освобождении»), так и отрицательных персонажей (анархист Сиплый в «Оптимистической трагедии», Гомозов в фильме «Скуки ради»). Он всю жизнь жалел, что ему не выпал случай сыграть комедийную роль.
Особенно удачно у актёра получались образы опытных, сильных людей, которые выходили у Санаева очень живыми и правдоподобными. Его последними заметными работами стал Фёдор Ходас с мелодраме «Белые Росы» в 1982 году и начальник в министерстве Ярослав Степанович из фильма Эльдара Рязанова «Забытая мелодия для флейты» в 1987 году. Всего в фильмографии актера более 80 киноролей.
Параллельно с работой в театре и кино Всеволод Васильевич занимался и педагогической деятельностью - в 1949–1950 преподавал во ВГИКе. А также был секретарем Союза кинематографистов СССР (1966-1986).
В 1969 году Санаев был удостоен звания Народного артиста СССР. Он - лауреат Государственной премии им. братьев Васильевых, награжден орденами и медалями.
Скончался актер Всеволод Васильевич Санаев 27 января 1996 года в Москве, где и был похоронен на Новодевичьем кладбище.