Виталий Дмитриевич Доронин родился 13 ноября 1909 года в Саратове. В 1928-1930 годах учился в Ленинградском институте сценических искусств (мастерская И.Певцова). С 1930 года - актер Ленинградского ТРАМа, работал в разных театрах страны, Ленинградском мюзик-холле, в Московском театре комедии. Руководил оркестром московской гостиницы "Метрополь".
В годы войны был актером Передвижного фронтового Московского драматического театра, в 1943-1952 годах - Театра сатиры. С 1952 года - актер Академического Малого театра.

Снимался в фильмах "Беспокойное хозяйство", "Свадьба с приданым", "Нормандия - Неман", "Дорога", "Крылья".
Виталия Доронина называли поющим артистом. Всенародная известность пришла к нему с песней "Хвастать, милая, не стану" из фильма «Свадьба с приданным».
Народный артист РСФСР (1964). Лауреат Государственной премии СССР (1951). 
Умер 20 июня 1976 года.