Владимир Евгеньевич внес весомый вклад в физику экстремальных состояний вещества и высоких плотностей энергии, неидеальной плазмы, ударных и детонационных волн, в теплофизику, химическую физику, космические исследования, энергетику, а также в ряд других областей физики и техники.
Выбор направления научной деятельности молодого выпускника Физтеха Фортова предопределила его встреча с академиком Яковом Зельдовичем, который обратил внимание на выступление Фортова на одной из конференций и рекомендовал его на работу нобелевскому лауреату Николаю Семенову, тогда возглавлявшему Институт химической физики АН СССР, где молодой специалист начал заниматься исследованиями в области физики неидеальной плазмы и теплофизических свойств экстремальных состояний вещества. Результаты легли в основу докторской диссертации «Исследование неидеальной плазмы динамическими методами», которую Фортов защитил всего через пять лет после начала своих исследований, в 1976 году. Эта тематика оставалась в центре внимания Фортова до конца его дней. Он автор более 900 опубликованных научных работ и 30 монографий, из них многие переведены на иностранные языки.
В 1987 году он был избран членом-корреспондентом, а в 1991 году — действительным членом Академии наук СССР.