Roger Vadim Plémiannikov néven született diplomatacsaládban francia-orosz szülők gyermekeként 1928. január 26-án Párizsban. Francia alkonzul apja révén gyerekkorát Egyiptomban és Törökországban töltötte, majd a családfő halála után anyjával és húgával (aki később filmvágó lett, és együtt dolgozott Buñuellel a rendező utolsó három filmjén) a francia Alpokban telepedtek le. A második világháború nagy részét is itt töltötte, ahol félig angol mostohaapja támogatta a szövetségeseket, kommunistákat és zsidókat bújtatott, majd átcsempészte őket a svájci határon.
Tizenkilenc évesen abbahagyta tanulmányait a Párizsi Politikai Tanulmányok Intézetében, hogy színészként és festőként próbáljon szerencsét. Három évig játszott Charles Dullin színházában, majd Marc Allégret rendező asszisztenseként és forgatókönyvírójaként került a filmes szakmába, közben a Paris Match újságírójaként és fotóriportereként is dolgozott.
Az alkotás hazájában mérsékelt sikert ért el, azonban az Egyesült Államokban diadalt aratott, a szőke szépség Bardot-t pedig egy csapásra nemzetközi szexszimbólummá avatta.
Bár a pár útjai a következő évben különváltak, ezután is jó barátok maradtak, és további négy filmet forgattak együtt. A holdfény ékszerészei (1958), a Kantár a nyakon (1961), a Szerelem a párnán (1962) és a Don Juan, avagy ha Don Juan nő lett volna (1973) című mozik sikere azonban meg sem közelítette első munkájukét.
Vadim 1958-ban vette feleségül Annette Stroyberg dán színésznőt, akitől első gyermeke született, s aki mellékszerepet is kapott egyik legismertebb filmjében, a Pierre Choderlos de Laclos azonos című regényén alapuló Veszedelmes viszonyokban (1959). A Jeanne Moreau és Gérard Philipe főszereplésével készült, szexjelenetekkel tarkított alkotást hazájában több városban is betiltották, és csak a bemutató után két évvel engedélyezték a film külföldön való vetítését.
A színésznő első nagyobb szerepét a Vadim rendezte A bűn és az erényben (1963) alakította. A Roger Vailland által írt filmdrámát a közönség és a kritikusok egyaránt elmarasztalták. Deneuve-vel való szakítása után a rendező megfogadta, hogy többé nem lesz szerelmes színésznőbe, de megismerkedett a szintén gyönyörű és fiatal Jane Fondával. Az amerikai színésznő 1965-ben lett a felesége, akivel több filmet is forgatott. Az 1964-ben bemutatott, Arthur Schnitzler drámáján alapuló Körbe-körbe című drámában Fonda meztelensége kisebb vitát váltott ki. 1968-ban Különleges történetek címmel Edgar Allan Poe három elbeszélését filmesítette meg három rendező – Federico Fellini, Louis Malle és Vadim, az utóbbi által filmre vitt részben ismét felesége volt a főszereplő. Ugyanabban az évben forgatta a Barbarella (1968) című erotikus sci-fit, amelynek címszerepét Fonda átlátszó űrruhában alakította (a jelmezét Paco Rabanne divattervező tervezte), a színésznő végre híres lett, de azon az áron, hogy beskatulyázták ügyeletes szexszimbólumnak és Vadim-feleségnek. Ő viszont többre vágyott, ezért szakított férjével, kislánya apjával és Párizzsal.
Vadim később rendezett Amerikában is, de filmjei már nem váltottak ki komoly visszhangot, a hetvenes évek második felétől egyre érezhetőbbé vált ötlettelensége. Utolsó említésre méltó alkotása az 1971-ben bemutatott Lányok, csak szép sorjában! című fekete komédia volt. 1983-ban Deneuve-től született Christian fiát instruálta a kamera mögül a Házibuli és szerelem című francia vígjátékban, majd 1988-ban elvállalta az És Isten megteremté a nőt amerikai remake-jének rendezését a főszerepben Rebecca De Mornay-val, ez azonban kedvezőtlen fogadtatásban részesült.
A több pikáns magánéleti részletet tartalmazó könyv miatt Deneuve és Bardot is beperelte, majd a bíróság fejenként 10 ezer dollár sérelemdíjat ítélt meg számukra.
A sokak által irigyelt nőcsábász rendező, aki Ferrarival járt, sziklát mászott és ejtőernyőzött is, 2000. február 11-én halt meg egy párizsi kórházban limfóma következtében. Akkori feleségén, Marie-Christine Barrault-on kívül Bardot, Fonda, Stroyberg és negyedik felesége, az acélgyáros-örökösnő Catherine Schneider is részt vett a St. Tropez-i temetésén.
