Vladimir Miholjević begann seine Karriere 1997 bei dem slowenischen Radsport-Team KRKA-Telekom Slovenije. 1998, 2000 und 2012 wurde er kroatischer Landesmeister im Straßenrennen, 2012 zudem im Einzelzeitfahren. 2000 gewann er die Tour du Doubs. 2002 wechselte er zu dem italienischen Rennstall Alessio, bestritt 2003 seinen einzigen Tourstart und belegte Platz 50, beim Giro d’Italia ging er acht Mal am Start. Von 2005 bis 2009 fuhr Miholjević für das ProTour-Team Liquigas.
Ende der Saison 2012 beendete Miholjević seine Karriere, nachdem er zum dritten Mal nationaler Straßenmeister geworden war.