El 1633 ocupava una plaça de cantant al cor papal. Fou nomenat mestre de capella a Florència (1642) i a Bèrgam (1648). La seva producció musical és variada. Compongué obres per a l’escena, entre les quals destaca L’Aretusa (1620), primera òpera representada a Roma, que mostrava influències evidents de J. Peri i G. Caccini. La música religiosa comprèn cançons sacres, motets, himnes i salms. El llibre Hymni (1636), una de les seves obres més importants, és escrit en l’estil polifònic del Renaixement tardà, tot i que mostra també alguns trets estilístics moderns. Escriví, a més, diverses col·leccions de madrigals i algunes àries. Vitali fou un clar exemple de compositor del primer Barroc, igualment hàbil en l’estil antic i el modern.