Il naquit vers l’an 600 à Segni, dans le Latium. Devenu prêtre à Rome, il fut élu pape le 30 juillet 657, après la mort de saint Eugène Ier, en pleine crise avec l’Orient sur la question du monothélisme. Trois ans plus tôt seulement, le pape saint Martin Ier avait été déporté sur ordre de l’empereur d’Orient Constant II.

Très soucieux de l’unité des chrétiens, et par prudence, il tâcha d’entretenir de bonnes relations avec Constant II, qui fut assassiné en 668. Après l’avènement de son fils Constantin IV, il se prononça plus fermement contre le monothélisme, mais ne put résoudre la crise, son nom étant même rayé des diptyques des églises byzantines, et ce jusqu’à la condamnation définitive de l’hérésie sous saint Agathon, en 681.

76e pape, il eut à combattre de nombreux autres schismes et hérésies, notamment l’arianisme, et souffrit le rattachement de l’Eglise de Ravenne à Constantinople contre le Saint-Siège. Il réussit cependant à améliorer les relations de Rome avec l’Angleterre, nommant en 668 saint Théodore de Tarse archevêque de Cantorbéry, et lui adjoignant saint Adrien de Cantorbéry.

Soucieux de sa primauté, Vitalien intervint avec succès au sujet de nominations d’évêques en Orient. Il contribua largement au développement de la musique sacré, et on lui prête l’introduction des orgues dans les églises. Il mourut à Rome le 27 janvier 672.