Fou alumne de Maurizio Cazzati. A Bolonya cantava i tocava el violoncel a l’església de Sant Petroni, el 1658, i el 1673 fou nomenat mestre de capella del Sant Rosari. L’any següent es traslladà a Mòdena, on arribà a ser vicemestre de capella de la cort del duc Francesc II d’Este. El 1684 fou nomenat provisionalment mestre de capella, però dos anys després tornà al seu antic càrrec de vicemestre, que ocupà fins a la seva mort. L’aportació més important de Vitali a la història de la música es troba en la seva producció instrumental, amb la qual contribuí decisivament a l’establiment de la sonata barroca per a conjunt instrumental, especialment la sonata en trio. Destacà en la concreció d’un estil unificat, tant en la sonata da chiesa com en la sonata da camera, amb la utilització d’un estil contrapuntístic més elaborat que el dels seus predecessors. Els seus famosos Artificii musicali (1689) constitueixen un sistema pedagògic de seixanta composicions en què l’autor mostra la seva concepció del contrapunt instrumental. Les seves obres influïren en la música de cambra de compositors tan importants com A. Corelli, G. Torelli i H. Purcell. També compongué oratoris, cantates i música religiosa.