Fu violinista e compositore, figlio di Giovanni Battista, anch’esso compositore e violoncellista.
Egli è ricordato come un gran virtuoso del violino dal celeberrimo teorico musicale e compositore padre Giovanni Battista Martini, maestro di Cappella nella Chiesa di San Francesco a Bologna.
Le prime notizie risalgono al 1674, momento in cui si trasferì col padre a Modena, dove, pur continuando ad esser allievo del padre, intraprese anche lo studio della composizione con A.M. Pacchioni, con cui si imparenterà unendosi in matrimonio con una sua nipote.
Nel 1675 fu operativo presso la cappella estense. Ben presto diventò “capo del concerto” alla corte dei duchi di Modena Francesco II e Rinaldo I.
Nei 1711 prestò la sua collaborazione in occasione delle partecipò celebrazioni per la traslazione della reliquia di S. Gaudenzio a Novara, con G. B. Somis e G. Sammartini.
Tra i suoi allievi G. N. Laurenti, L. A. Predieri, E. F. Dall'Abaco e J. B. Senaillé, il quale dopo il perfezionamento con Vitali dal 1717, fece ritorno a Parigi nel 1719.
G. B. Martini ricorda i suoi successi di esecutore virtuoso: “Nei tempi e nei teatri ha sempre eccitato in chi lo ha udito gli stupori”.
Nella Ciaccona per violino e basso, Vitali rivela una robusta personalità stilistica, che lo fa differenziare dal pur noto padre Giovanni Battista Vitali. La ciaccona, si distingue per ritmo ternario, e per esser composta da una serie di variazioni su un tema che ricorre in modo ostinato nella parte del basso continuo, definendo al contempo lo schema armonico della composizione. Questa Ciaccona è un soliloquio meditativo che inizia in modo molto chiaro e lineare, ma che, a mano a mano che si procede nel brano, si complica sempre di più, sia formalmente sia espressivamente: il violino interpreta una varietà di inflessioni e di declamazioni che spaziano dal puro decorativismo al patetismo più intenso: è proprio per il crescente virtuosismo che comunque oggi si è portati a farlo rientrare nella produzione di Vitali.
Un eco di rigore scolastico trasuda ancora nell'opera 1, caratterizzata dal ricorso pedissequo a procedimenti imitativi, sia nei movimenti lenti che in quelli allegri. Anche nell’impiego di soluzioni “obbligato”, si riscontrano questi elementi imitativi (si può citare come esempio il quarto movimento della Sesta Sonata).
Risultano più mature le sonate dell'op. 2, poiché è presente una ricca scrittura, dove piovono incisivi passaggi virtuosistici affidati al primo violino (per esempio ancora nella Sesta Sonata).
Influssi corelliani, inevitabili in un autore della sua genera­zione e formazione, si manifestano in Concerto di sonate, opera 4, significativamente dedicata al noto cardinale Ottoboni: si tratta per lo più di suites di danza: di scrittura omofonica, sono caratterizzate in linea generale da un breve movimento di passaggio (grave), si sviluppano secondo una suc­cessione mutevole, con un ritornello alla fine di ogni movimento; ci sono richiami a figure di basso ostinato (ad esempio nella Nona e nella Dodicesima Sonata). Posizione a se stante occupa l’Ottava sonata, che si può considerare un concerto solistico per violino; degna di menzione è anche la Dodicesima Sonata, che presenta una serie di variazioni sul tema della “Follia di Spagna”, tema che Corelli aveva pubblicato appena un anno prima).