Vitaliano nasceu em Segni, na região do Lácio, próximo a Roma, filho de um homem chamado Anastácio. Pouco se sabe sobre sua vida e atividade eclesiástica anterior à sua elevação ao papado — as fontes históricas disponíveis, sobretudo o "Liber Pontificalis", são notavelmente escassas quanto a esse período de sua trajetória, embora fosse tradicionalmente reconhecido por seu conhecimento dos estudos sagrados.

Após a morte do papa Eugênio I, em 2 de junho de 657, Vitaliano foi eleito seu sucessor, sendo consagrado e entronizado em 30 de julho daquele mesmo ano. Como seu antecessor, buscou restabelecer relações mais cordiais com Constantinopla, enviando cartas sinodais anunciando sua elevação tanto ao imperador bizantino Constante II quanto ao patriarca Pedro, este último declaradamente inclinado ao monotelismo — doutrina que sustentava a existência de uma única vontade em Cristo e que, naquele momento, atravessava seu período de maior força e apoio imperial. Vitaliano evitou deliberadamente condenar de forma explícita o "Typos", edito promulgado por Constante II em 648 que proibia toda discussão pública sobre a questão das vontades de Cristo — postura conciliadora que lhe rendeu o reconhecimento formal de sua eleição por parte do próprio imperador.

Essa aproximação diplomática culminou em 663, quando Constante II, aproveitando uma campanha militar contra os lombardos no sul da Itália, visitou pessoalmente Roma — a primeira visita de um imperador bizantino à cidade em quase dois séculos —, sendo recebido pelo papa com honras quase religiosas e visitando solenemente as principais basílicas da cristandade ocidental. Contudo, essa aparente reconciliação revelou-se superficial e amarga: ao deixar Roma, o próprio Constante II autorizou que suas tropas saqueassem impiedosamente a cidade, levando como espólio inclusive as placas de bronze que revestiam a cúpula do Panteão — golpe simbólico e material que evidenciou a fragilidade da autoridade papal diante do poder imperial bizantino, mesmo em momentos de aparente cordialidade.

A relação deteriorou-se ainda mais quando o imperador, buscando enfraquecer politicamente o papado na Itália, apoiou as pretensões do arcebispo Mauro de Ravena de obter independência eclesiástica total em relação a Roma — autocefalia que levou Vitaliano a excomungar o arcebispo rebelde, e este, por sua vez, a excomungar o próprio papa; Ravena permaneceria eclesiasticamente independente de Roma pela década seguinte. Após a morte de Constante II, assassinado em Siracusa em 668, Vitaliano apoiou decisivamente a sucessão de seu filho Constantino IV contra outro pretendente rival que contava com respaldo militar — gesto que lhe rendeu a incondicional gratidão do novo imperador, que passou a adotar política religiosa mais prudente e respeitosa para com o pontífice romano, trazendo período de paz mais duradoura entre Roma e Constantinopla.

No plano missionário, Vitaliano consagrou, em 668, Teodoro de Tarso como primeiro arcebispo a governar toda a Igreja inglesa unificada a partir de Cantuária, marco fundamental para a organização eclesiástica britânica, e é tradicionalmente creditado como o primeiro papa a introduzir formalmente o uso do órgão musical nas cerimônias litúrgicas.

Faleceu em Roma, em 27 de janeiro de 672, sendo sepultado na Basílica de São Pedro e posteriormente canonizado.