Виталий Доронин родился 13 ноября 1909 года в Саратове.
Его отец был железнодорожником, ставшим после революции в 1917 году директором индустриального техникума, а мама работала счетоводом. У Виталия были сестра и младший брат Константин, который стал позже капитаном 3 ранга, служил в подводном флоте, и написал учебник для подводников с книгой воспоминаний о Великой отечественной войне.
Вся семья Дорониных играла в художественной самодеятельности, и после окончания школы Виталий Доронин, работая слесарем вагоноремонтных мастерских в Саратове, так же занялся художественной самодеятельностью.
В 1928 году Виталий приехал в Ленинград, и полтора года учился в Ленинградском институте сценических искусств. Позже он некоторое время работал в Ленинградском театре рабочей молодежи, но вернулся в Саратов, и играл в Саратовском театре драмы имени Карла Маркса, откуда его призвали в армию, после службы в которой Доронин продолжил актерскую карьеру в хабаровском театре Особой Краснознаменной Дальневосточной Армии.
Спустя некоторое время он переехал в Харьков, где дирижировал джазовым оркестром и исполнял жанровые песни, а из Харькова Доронин вернулся в Ленинград, где одновременно работал в Ленинградском мюзик-холле и в Ленинградской государственной эстраде. В 1939 году Доронин из Ленинграда переехал в Москву и начал работать в театре комедии. Некоторое время он так же руководил оркестром московской гостиницы «Метрополь».
После начала Великой Отечественной войны Доронин стал актёром Московского драматического театра при школе летчиков имени Чкалова в Борисоглебске, а в 1945 году был перевёден в Московский театр Сатиры. В театре сатиры Доронин прослужил до 52 года.
В 1951 году он сыграл в театре Сатиры одну из своих самых известных ролей - колхозника Курочкина в спектакле «Свадьба с приданым». Этот спектакль по пьесе Николая Дьяконова поставил режиссер Борис Равенских, и его постановка была первым советским мюзиклом. Первоначально Борис Равенских попросил одного из знакомых поэтов сочинить стихи для песен, но предложенные тексты не удовлетворили постановщика, и с той же просьбой режиссер обратился к поэту Алексею Фатьянову. Работа велась в феврале, а премьера спектакля была назначена на март. Фатьянов пригласил написать музыку к песням композитора Бориса Мокроусова, и вместе они написали песню «На крылечке твоем», которую позже великолепно исполнил в спектакле Виталий Доронин.
Премьера спектакля Театра сатиры состоялась 12 марта 1949 года, после чего спектакль показывался 152 раза с неизменным аншлагом. Успеху способствовала прекрасная музыкальная составляющая спектакля. О том, что без этих песен спектакль не имел бы такого успеха, свидетельствует то, что «Свадьбу с приданым» в 1950 году поставил и Ленинградский театр имени Ленинского комсомола. Музыку к спектаклю сочинили Василий Соловьев-Седой и М. Матвеев, однако этот спектакль не имел такого успеха, как его московская постановка с участием Доронина. В СССР стали популярны песни именно из московского спектакля - их распевала вся страна, и в 1950-е годы «Свадьбу с приданым» часто ставили в провинциальных театрах, в клубах и домах культуры, неизменно используя песни Мокроусова на слова Фатьянова. В 1951 году Виталию Доронину за прекрасно исполненную роль Курочкина в этом спектакле была присуждена Государственная премия.
Помимо театральной работы Виталий Доронин активно снимался в кино. Впервые он снялся в 1941 году в картине «Боксеры», но этот фильм вышел на экраны лишь в 1947 году. В этом фильме впервые прозвучала мелодия, ставшая впоследствии популярной песней «Сядь со мною рядом», исполненной Виталием Дорониным. После выхода «Боксеров» на экран актерская карьера Доронина в кино не прерывалась вплоть до середины 1970 годов. Следующей картиной в его творческой биографии стал фильм «Беспокойное хозяйство», режиссером которого стал Михаил Жаров.
В том же 1946 году Доронин снялся в роли футболиста в фильме «Центр нападения», в 1950 году – в роли шахтера из киноленты «Донецкие шахтеры», а в 1951 году – в роли генерал в фильме «Нормандия – Неман».
Популярность Доронина еще больше возросла после того, как «Свадьба с приданым» была экранизирована на «Мосфильме» и в 1953 году вышла на экраны страны. Для участия в фильме постановщики Татьяна Лукашевич и Борис Равенских пригласили тех же артистов, которые были заняты в спектакле. Жених Курочкин в исполнении Доронина по популярности у зрителей соперничал с другими известными театральными и кинообразами того времени.
За Дорониным бежали по улице мальчишки и кричали: «Курочкин идет!» А куплеты Курочкина из фильма в течение нескольких лет были одними из самых популярных эстрадных номеров в СССР: «Обо мне все люди скажут: сердцем чист и не спесив… Или я в масштабах ваших недостаточно красив?» Борис Равенских рассказывал: «Виталий Доронин - прекрасное воплощение характера русского национального героя. В нём сочетаются удаль с задушевностью. Бесшабашность с добротой. Озорство с исповедальностью. Он великолепно поёт и пляшет. Он может играть всё - от частушек до Толстого. От былинного богатыря до Есенина... С ним всегда хотелось из душной коробки-сцены уйти репетировать на природу, в поле...»
Доронину удалось заслужить популярность у зрителя - актер прекрасно смотрелся в кадре. У него было невероятное комедийное дарование, он органично двигался и был прекрасным «поющим актером», превращавшим любую спетую в фильме песню в популярный хит, и за эти качества ему доверяли исполнять песни лучшие авторы того времени. А зрители считали Доронина одним из самых красивых актеров советского кино 1950-х годов. Коллеги, видя, как он отдает себя на сцене, играет на износ, говорили: «Так сыграть нельзя. Так можно только прожить!» Всего на киноэкране Виталием Дорониным были сыграны около двадцати ролей, и в них актер сумел раскрыть большое количество характеров. В каждой роли он открывался по-новому, проявляя необыкновенное актерское обаяние, которое неизменно привлекало зрителей и режиссеров. Темперамент Доронина нашел свое применение и на эстраде, где актер выступал с песенным репертуаром.
В 1952 году Виталий Доронин перешел в труппу Академического Малого театра, на сцене которого он укрепил свою репутацию прекрасного актёра.
Виталий Доронин был дважды женат. Его первой женой была актриса театра Сатиры Наталья Цветкова, с которой они вместе играли во время войны во Фронтовом театре. Но в 1952 году Наталья умерла, и Доронин женился на актрисе Малого театра Констанции Роек, с которой познакомился во время совместной работы над спектаклем «Опасный спутник». Роек играла роль Дины, которая предпочла приспособленца Корчемного в исполнении Евгения Матвеева положительному Селихову в исполнении Виталия Доронина. Но в жизни всё произошло как раз наоборот. Во время репетиций «Опасного спутника» между Дорониным и Роек начались отношения, кроме того, Роек была очень хороша собой, и неудивительно, что Доронин в неё влюбился. Вместе они прожили более двадцати лет, и это был настоящий союз противоположностей. У Виталия и Констанции в этом браке родилась дочь, которую они назвали Еленой.
Доронин был преданным семьянином, хотя это и не мешало актеру быть дамским угодником. «Он был красивый и галантный, - вспоминала о Доронине коллега по сцене Татьяна Панкова, - всегда реагировал на женщину. Проходила ли мимо старуха, девочка, красивая или некрасивая женщина. Виталий Дмитриевич всегда реагировал. Это было видно по его глазам и губам».
Последней ролью Виталия Доронина на сцене Малого театра стала роль Иудушки в «Господах Головлевых», поставленных Евгением Весником. Назначение на роль Иудушки, само имя которого стало уже нарицательным, одного из самых обаятельных актеров Малого театра было неожиданным и полностью себя оправдало. В Порфирии Головлеве внешнее обаяние парадоксально сочеталось с отвратительным внутренним миром, и от этого он становился еще страшнее и отвратительнее. Доронин мог внезапно вызвать сочувствие зала к Иудушке, чтобы в следующее мгновение раскрыть его мерзкую сущность. Но сыграть эту роль ему довелось всего лишь четыре раза.
20 июня 1976 года Виталий Доронин скончался от инфаркта.
В Малом театре позже работала дочь Виталия Доронина – Елена. Актерскую профессию выбрала и внучка Виталия Доронина – Настя Овчинникова.
Виталий Доронин похоронен на Ваганьковском кладбище.
