Виталий Милонов родился 23 января 1974 года в городе Санкт-Петербург. Его родители: флотский офицер Валентин Николаевич и учительница начальных классов Татьяна Евгеньевна, которые души не чаяли в сыне, так как он был поздним, единственным и очень желанным.  Избалованный вниманием родителей в детстве Виталий был непослушным мальчиком, предпочитающим дворовую компанию обучению в школе, поэтому не отличался высокой успеваемостью и был «троечником.

По окончанию школы Милонов хотел пойти по стопам отца и намеревался поступить в Военно-инженерное техническое училище. Его планы стать военным не увенчались успехом - Виталия не взяли в учебное заведение по состоянию здоровья. После этого юноша поступил в Ленинградский госуниверситет на филологический факультет. Но и эта попытка получить высшее образование также оказалась провальной, так как его отчислили с вуза из-за плохой успеваемости.

Только в 2005 году Милонов закончил Северо-западный институт госслужбы при президенте РФ, в котором обучался на факультете государственного муниципального управления. Позже он стал студентом заочного факультета Православного Свято-Тихоновского гуманитарного университета.

Политическая карьера Виталия Милонова началась еще в начале 90-х годов. Тогда он примкнул к Свободно-демократической партии России, сопредседателями которой в тот момент были известные российские оппозиционеры Лев Пономарев и Марина Салье. В тот же момент на удивление своей семьи, в которой царил дух атеизма, начинающий политик проявил интерес к религии, стал посещать собрания Евангелической церкви.

    Вскоре его деятельность заметил депутат Госдумы Виталий Савицкий, который в 1994 году сделал Милонова своим помощником, тем самым дав ему «путевку» в мир политики. В тот же период Виталий Валентинович создает движение «Молодые христианские демократы», во главе которого проявил недюжинную активность и громко заявил о себе в политическом мире. Через несколько лет его заметила лидер демократического движения Санкт-Петербурга, депутат Госдумы и известная правозащитница Галина Старовойтова, которая взяла Милонова в свою команду и стала его так называемой «крестной матерью» в политической карьере.

В 1998 году по предложению Старовойтовой Виталия Валентинович подал свою кандидатуру на выборы в петербургский парламент, но буквально за несколько дней до голосования отказался от борьбы за депутатский мандат в пользу Вадима Тюльпанова от партии «Единство», который был основным соперником демократической партии. Этот поступок Милонова коллеги расценили как предательство, но это не изменило мнение начинающего политика, который, отдав вакантный пост своем главному конкуренту Тюльпанову, стал его же помощником и уже в 2004 году начал продвижение по карьерной лестнице в рядах партии "Единая Россия".

В 2007 году Виталий Валентинович был избран в Законодательное собрание Санкт-Петербурга четвертого созыва. Занимал должность председателя постоянной комиссии по устройству государственной власти, местному самоуправлению и административно-территориальному устройству, был членом бюджетно-финансового комитета.

В 2009 году политик возглавил постоянный комитет по законодательству и параллельно стал членом приходского совета православной церкви Святителя Петра Митрополита Московского, регулярно участвует в богослужениях. В 2011 году был избран в Законодательное собрание Санкт-Петербурга пятого созыва. За свою деятельность был награжден Медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени, медалью «За укрепление боевого содружества», медалью Святого апостола Петра II степени.

На выборах 18 сентября 2016 года Милонов Виталий Валентинович был избран Депутатом Государственной Думы VII созыва от избирательного округа 0218, Южный - город Санкт-Петербург. Член фракции «Единая Россия». Член комитета ГД по международным делам. Дата начала полномочий - 18 сентября 2016 год.