Виталий Жолобов родился 18 июня 1937 года в селе Збурьевка Херсонской области, Украина. Член КПСС с 1966 года. В 1954 году окончил среднюю школу № 164 в городе Баку, Азербайджан, в 1959 году - Азербайджанский институт нефти и химии имени Мешади Азизбекова, ныне - Азербайджанская государственная нефтяная академия, по специальности «Автоматические, телемеханические и электроизмерительные приборы и устройства».

В Советскую армию был призван в июле 1959 года. Проходил службу в в/ч 15644, инженер­ испытатель 3-­го отдела.

В 1962 году прошел медицинское обследование в Центральном военном научно-исследовательском авиационном госпитале и в ноябре получил допуск Центральной врачебно-­летной комиссии для зачисления в отряд космонавтов. 8 января 1963 года на заседании мандатной комиссии был рекомендован к зачислению в отряд космонавтов. Приказом Главкома ВВС №14 от 10 января 1963 года был зачислен в ЦПК в качестве слушателя-­космонавта.

С января 1963 по январь 1965 года проходил общекосмическую подготовку. 13 января 1965 года после сдачи экзаменов по ОКП получил квалификацию «космонавт ВВС». В январе 1965 года был назначен на должность космонавта 2­го отряда (военные космические программы). С сентября 1966 по 1971 года проходил подготовку по программе «Алмаз» в составе группы космонавтов. 30 апреля 1969 года был назначен космонавтом 2­-го отдела 1­-го управления 1­-го НИИ ЦПК. С ноября 1971 по апрель 1972 года проходил подготовку в условном экипаже вместе с В.В.Горбатко.

В период с 11 сентября 1972 по февраль 1973 года проходил подготовку к полету на ОПС­-101 «Алмаз» в качестве бортинженера второго (дублирующего) экипажа по программе 1­й экспедиции, вместе с Волыновым. Полет был отменен из­-за разгерметизации ОПС «Алмаз» на орбите в апреле 1973 года.

В июле 1974 года без отрыва от работы в Центре подготовки космонавтов заочно окончил Военно­-политическую академию имени В.И.Ленина.

В 1976 году 6 июля - 24 августа совершил космический полёт в качестве бортинженера на космическом корабле «Союз-­21» и орбитальной станции «Салют­-5» продолжительностью 49 суток 6 часов 23 минуты 32 секунды. За время этого космического полёта была получена обширная и ценная научная информация о физических характеристиках атмосферы Земли. На борту ОС «Салют­-5» проведены исследования, показавшие, как протекают различные физические процессы и технологические операции в условиях невесомости. Осуществлены комплексные исследования реакции организма человека на действие факторов длительного космического полёта.

За успешное осуществление орбитального полёта и проявленные при этом мужество и героизм, Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 сентября 1976 года лётчику­космонавту СССР полковнику-­инженеру Жолобову Виталию Михайловичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

После космического полёта Жолобов продолжал службу в ЦПК имени Гагарина. С января 1978 года - командир группы слушателей-­космонавтов и инструкторов­космонавтов Центра подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина. С января 1981 года полковник-­инженер Жолобов - в запасе.

С апреля 1983 по февраль 1987 года работал помощником генерального директора научно­-производственного объединения «Маяк» по гражданской обороне, начальником штаба гражданской обороны научно­ исследовательского института электромеханических приборов, избирался депутатом Киевского горсовета народных депутатов. В 1986 году участвовал в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, занимался эвакуацией людей и оборудования из города Припять.

С июля 1994 по июнь 1996 года - председатель Херсонского областного совета народных депутатов, с июля 1995 по июнь 1996 года - глава Херсонской областной государственной администрации. С июня 1996 по февраль 1997 года - заместитель Генерального директора Национального космического агентства Украины. С августа 1997 по июль 1998 года - заместитель директора ООО «Таврия­-Импэкс ЛТД». С ноября 1998 года работал заместителем генерального директора ТОО «Калита». С апреля 2002 года - президент Аэрокосмического товарищества Украины.

Награждён советским орденом Ленина, медалями, в том числе «За освоение целинных земель» и «За отличие в охране государственной границы», украинским орденом «За заслуги» 3-­й степени, российской медалью «За заслуги в освоении космоса».

Летчик­-космонавт СССР. Заслуженный мастер спорта СССР. Государственный служащий 1­-го ранга. Академик транспортной академии Украины.

Почётный гражданин городов Гагарин, Калуга, Ленинск, Прокопьевск, Тернополь, Херсон, Целиноград, посёлка Голая Пристань.

Автор биографической книги «Звезда по имени Судьба. Земные откровения космонавта».