Всеволод Васильевич Санаев родился 25 февраля 1912 года в Туле. Окончил ГИТИС в 1937 году и поступил в труппу МХАТа, работал также в Театре им. Моссовета.
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 1988 г.
В 1969 году Всеволод Санаев был удостоен звания Народного артиста СССР. Санаев — лауреат Государственной премии им. братьев Васильевых, награжден орден Трудового Красного Знамени.
Скончался актёр 26 января 1996 года.