Родился в Киеве, в артистической семье. Его отец — П. И. Цесевич — был знаменитым оперным певцом, впоследствии — заслуженным артистом РСФСР, мать — Елизавета Александровна Кузнецова — окончила консерваторию, занималась концертной деятельностью.
В 1927 окончил Ленинградский университет, затем обучался в аспирантуре под руководством Г. А. Тихова. До 1933 работал в обсерватории Ленинградского университета, преподавал астрономию и математику в ряде вузов.
В 1933 был назначен директором обсерватории в Душанбе (ныне — Институт астрофизики Академии наук Республики Таджикистан), проработал в этой должности до 1937.
В 1937 вернулся в Ленинград, до 1942 — профессор Ленинградского педагогического института им. М. Н. Покровского и сотрудник Астрономического инcтитута АН СССР. Вместе с женой и матерью пережили в Ленинграде первую зиму блокады, в 1942 были эвакуированы в Душанбе.
В Душанбе в 1942—1944 работал профессором Одесского технологического института консервной промышленности и Одесского педагогического института.
С 1944 — профессор, заведующий кафедрой астрономии Одесского университета и директор обсерватории этого университета. Вёл большую педагогическую работу, сформировал научную школу исследователей переменных звёзд.
В 1948—1950 был также директором Главной астрономической обсерватории АН УССР в Киеве.
В 1948 избран членом-корреспондентом АН УССР.
В его честь назван астероид № 2498. В.П. Цесевич состоял в КПСС.
Основные труды посвящены исследованиям переменных звёзд. Вёл их наблюдения на протяжении более 60 лет, с 1922, выполнил около 200 тысяч визуальных оценок блеска переменных различных типов, а также большое число оценок блеска по фотопластинкам. В 1931 совместно с Б. В. Окуневым организовал службу регулярных наблюдений звезд типа RR Лиры, которая продолжается до настоящего времени. На основании исследований звёзд типа RR Лиры изучил у них эффект Блажко и установил связь между характером изменений их периодов и пространственно-кинематическими характеристиками. Выполнил ряд исследований звезд типа RV Тельца, цефеид (периоды, кривые блеска), а также затменных переменных звезд. Усовершенствовал методы определения элементов орбит и других характеристик затменных звезд по их кривым блеска (предложил метод дифференциальных поправок), разработал метод учета кольцеобразности затмений. В 1939—1940 опубликовал таблицы специальных функций для решения кривых блеска при различных видах затмений. Таблицы Цесевича считаются наилучшими и непревзойденными по точности. Провел наблюдения большого числа затменных систем и определил их элементы.
Наряду с наблюдением переменных звёзд, первым начал наблюдать изменения блеска искусственных спутников Земли, а также изменения блеска астероида Эрос и одним из первых построил теорию его переменности. Обратил внимание на возможность применения результатов наблюдений искусственных спутников Земли для исследований верхних слоёв атмосферы.
Организовал на Украине и в Таджикистане систематическое фотографирование неба с помощью многокамерных короткофокусных астрографов. В 1957 организовал наблюдения метеоров по программе Международного геофизического года; совместно с Е. Н. Крамером инициировал создание Всесоюзной службы болидов.
Автор 20 монографий и многочисленных статей, в том числе научно-популярных книг, многократно переиздававшихся в 60 -е — 80- е гг. XX века.