Родился 14 января 1915 года в городе Царицын (с 1925 г. до 1961 г. - Сталинград, с 1961 г. и ныне - Волгоград) в семье рабочего. В 1929 году окончил 7 классов и в 1932 году - школу ФЗУ в городе Сталинграде.

В Красной Армии с 1934 года. В 1937 году окончил Сталинградскую военную авиационную школу лётчиков. Участвовал в советско-финляндской войне 1939-40 годов в качестве лётчика-бомбардировщика, командира авиационного звена.

Во время Великой Отечественной войны, с июня 1941 года по сентябрь 1944 года, В.С. Ефремов был командиром авиазвена, заместителем командира и командиром авиаэскадрильи 10-го гвардейского бомбардировочного авиаполка. Участвовал в боях на Юго-Западном, Сталинградском, 4-м Украинском и 3-м Белорусском фронтах.

В боях за родной город Сталинград В.С. Ефремов совершил 198 боевых вылетов, уничтожил 5 железнодорожных эшелонов, 15 автомашин с военными грузами, 11 самолетов и много другой боевой техники. 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 В.С. 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 самолёта под командованием В.С. Ефремова уничтожил 32 самолёта 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 награждён второй медалью "Золотая Звезда".

В 1949 году, окончив Военно-воздушную академию, подполковник В.С. Ефремов служил заместителем командира авиаполка, затем - инструктором в авиационном училище, лётчиком-испытателем. Овладел полётами на многих типах самолётов в различных метеорологических условиях. С 1960 года полковник Ефремов В.С. - в запасе, а затем - в отставке.

Прославленному воздушному бойцу 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 Киеве, где и скончался 18 августа 1990 года. Согласно завещанию, похоронен в Волгограде, на Мамаевом кургане.

Награждён 2 орденами Ленина, орденом Красного Знамени, 2 орденами Отечественной войны 1-й степени, 2 орденами Красной Звезды и медалями.