Nativo di Segni, un centro a circa 60 km da Roma sui monti Lepini settentrionali dove si estraeva e lavorava il calcare. Fu consacrato papa il 30 luglio del 657 a nemmeno due mesi dalla morte del suo predecessore, anche perchè nel frattempo Costante II cambiò la propria linea strategica nei confronti della Chiesa romana.
Il cambiamento, solo dal punto di vista teologale, dell'imperatore fu dovuto essenzialmente ai dissapori interni all'impero stesso e scaturiti in particolar modo dopo aver fatto assassinare il fratello Teodosio.
Mentre sul piano temporale continuò ad imporre la propria volontà con la forza e tutta la sua bizantina arroganza infatti, in "visita" a Roma nel 663, al papa tolse la diocesi di Ravenna e depredò gli arredi di quasi tutte le chiese, fino ad impadronirsi delle tegole di bronzo dorato del Panteon ( divenuto tempio cristiano).
Il buon papa Vitaliano sicuramente non ebbe strumenti per contrapporsi a quella ferocia sul piano militare, potè solo opporre una buona diplomazia.
Il 17 luglio, Costante II ed il suo esercito lasciarono l' urbe e diresse verso la Sicilia e a Siracusa, eresse la sua dimora. Il 1° maggio del 666 inferse un nuovo colpo alla Chiesa romana dichiarando con un editto che a partire dalla stessa data la Chiesa di Ravenna e quindi quella d' oriente doveva essere considerata autonoma ed indipendente da Quella romana. Nel 668 Costante II trovò la morte per mano di un inserviente di corte, mentre stava facendo il bagno.

La rivincita del pontificato romano non si fece attendere e rivoltò le proprie sorti imponendo quale imperatore Costantino IV Pagonato, figlio legittimo di Costante II, in contrapposizione con la volontà dell' esercito bizantino che aveva già proclamato imperatore il generale Mesecio.
Per Vitaliano ed il suo pontificato si aprì un periodo di serenità. Costantino IV, con eterna gratitudine, rivolse le attenzioni del suo esercito alle scorribande saracene, mentre il papa potè dedicarsi al suo magistero, portando in seno a Roma la Chiesa anglosassone che adottò la liturgia cattolica.
San Vitaliano si spense il 27 gennaio del 672 e fu sepolto a San Pietro. Viene ricordato il 16 luglio.