Владислав Вильгельмович родился 27 февраля 1932 года в городе Воронеже в семье заместителя директора Воронежского заповедника. В 1945 году семья Хлебовичей переехала в город Браслав Полоцкой (ныне Витебской) области Белоруссии. Там Владислав Вильгельмович в 1949 году окончил школу с серебряной медалью.
В том же году он поступил на биолого-почвенный факультет Ленинградского университета, где специализировался на кафедре зоологии беспозвоночных. Летом 1952 года, после третьего курса, В.В. Хлебович временно работал в Зоологическом институте лаборантом. В 1954 году Владислав Вильгельмович окончил университет, защитив дипломную работу, посвященную полихетам острова Парамушир по сборам НИС «Витязь» 1949 года. После окончания университета В.В. Хлебович поступил в аспирантуру Зоологического института. Темой исследования стали полихеты литорали Курильских островов, а руководителем — П.В. Ушаков. В 1957 году зачислен в штат лаборатории морских исследований младшим научным сотрудником. В 1959 году защитил под руководством Павла Владимировича Ушакова кандидатскую диссертацию по теме «Многощетинковые черви (Polychaeta) литорали Курильских островов».
В 1962 году Владислав Вильгельмович перешел на работу в Биологический научно-исследовательский институт Ленинградского государственного университета на должность младшего научного сотрудника. Там он создал эколого-физиологическую лабораторию, где начали проводиться исследования соленостных адаптаций гидробионтов. В 1965 году он возвратился в ЗИН и возглавил Беломорскую биологическую станцию на мысе Картеш. За 13 лет руководства станцией В.В. Хлебович превратил ее, по мнению многих, в лучший морской стационар СССР. В 1971 году им была защищена докторская диссертация на тему «Концепция критической солености в зоологии». В 1978 году он перешел в лабораторию морских исследований ЗИН АН СССР на должность старшего научного сотрудника, а с 1986 года — на должность главного научного сотрудника. Он проработал в Зоологическом институте почти всю жизнь вплоть до выхода на пенсию в 2019 году.
Владислав Вильгельмович создал научную школу, изучающую закономерности соленостных адаптаций и осморегуляции водных организмов. Он автор около 200 научных публикаций, в том числе трех монографий. Исследовал механизмы осмотической регуляции и водно-солевого обмена водных организмов. Разработал концепцию критической солености биологических процессов. Специалист по биологии и систематике многощетинковых червей. Обосновал представление о физиологических адаптациях пресноводных животных морского происхождения. Представители этой группы животных могут неограниченно долго жить в пресной воде во взрослом состоянии, но оплодотворение и личиночное развитие их происходит в воде с высокой соленостью. Им была предложена схема экологического районирования солоноватых вод.
В.В. Хлебович — создатель и руководитель научного семинара по проблемам клонирования, использованию молекулярно-генетических методов. На семинарах под его руководством обсуждались также вопросы изучения адаптаций организмов, видообразования и задачи зоологической систематики.
В 1993 и 1994 годах руководил российско-американскими экспедициями, в ходе которых проведены исследования арктических эстуариев. Входил в состав комплексной радиоэкологической экспедиции по изучению последствий аварии на Чернобыльской атомной электростанции. За эти работы по ликвидации он был награжден почетной грамотой, а в 1997 году — медалью «За спасение погибавших».
В 2008 году Президиум РАН присудил В.В. Хлебовичу вместе с его учеником Николаем Васильевичем Аладиным за их работы по проблеме «Фактор солености в зоологии» премию имени академика Е.Н. Павловского.
В.В. Хлебович занимался также популяризацией науки: он выпустил три научно-популярные и две биографические книги. Один из создателей и кураторов публичных аквариумов в Санкт-Петербурге. Был главным научным консультантом научно-популярного рекламного фильма о Санкт-Петербургском океанариуме.
Светлая память о Владиславе Вильгельмовиче Хлебовиче навсегда сохранится в сердцах его учеников и коллег.