Figlio del doge Pietro II Orseolo, Vitale nacque a Venezia nel 998.
Era fratello di Ottone, doge dal 1009, e di Orso Orseolo vescovo di Torcello. Quando quest'ultimo nel 1018 divenne patriarca di Grado la sua cattedra episcopale fu assegnata a Vitale.
Nel 1024 una sommossa popolare costrinse Ottone e Orso a fuggire in Istria e Vitale fu destituito. Ottone fu presto richiamato ma nel 1026 per una nuova rivolta venne di nuovo allontanato e riparò a Costantinopoli.
Nel 1030 il doge Pietro Centranico, che aveva sostituito Ottone, venne a sua volta deposto e la reggenza venne temporaneamente affidata a Orso mentre Vitale partiva per Costantinopoli per richiamare Ottone ma giunto a destinazione seppe che il fratello era morto.
Vitale e Orso, essendo sacerdoti, non potevano detenere il titolo ducale e Pietro Centranico riprese il potere. La famiglia Orseolo rimaneva comunque potente e prestigiosa e Orso e Vitale, nonostante la morte del fratello, riuscirono a conservare la dignità episcopale.
Vitale Orseolo morì dopo il 1040.