Vitalij Kowaljow studierte am Theologischen Institut Moskau und setzte danach das Studium an der Hochschule für Musik in Bern und am Schweizerischen Opernstudio Biel fort. 1999 war er Preisträger der Placido Domingo Operalia Competition in Puerto Rico und des 39° Concorso per Voci Verdiane in Busseto. Während der Saison 2006/2007 sang er das REQUIEM von Giuseppe Verdi mit dem San Francisco Symphony Orchestra sowohl als mit dem Chicago Symphony Orchestra unter der Leitung von James Conlon. Es folgten König Philip II in DON CARLO in Tokyo, Sarastro in DIE ZAUBERFLOETE an der Oper Colorado, Pimen in BORIS GODUNOV in San Diego und wieder Sarastro an der Metropolitan Opera. Bis zum Sommer 2007 folgten noch eine CD-Aufnahme als Colline in LA BOHEME mit Anna Netrebko und Rolando Villazon in München, Banquo in MACBETH bei Washington National Opera und eine CD-Aufnahme von Leoncavallos I MEDICI als Francesco Pazzi mit Placido Domingo. In der Saison 2007-2008 debütierte Vitalij Kowaljow an der Wiener Staatsoper als Raimondo in I PURITANI und an der Chicago Lyric Opera als Greminin in EUGEN ONEGIN. Er kehrte zurück an die Metropolitan Opera als Ramfis in AIDA und als Oroveso in NORMA und an die Bayerische Staatsoper als Zaccaria in NABUCCO. Auch 2008 nahm er an Robert Dornhelms Verfilmung von Puccinis LA BOHEME mit Anna Netrebko und Rolando Villazon als Colline teil.

In der Saison 2008-2009 sang er im Tanglewood Festival den Gremin in EUGEN ONEGIN und an der San Francisco Opera sowohl den Fiesco in SIMON BOCCANEGRA als den Pimen in BORIS GODUNOV. Auch 2008-2009 debütierte er außerdem mit der Partie des Wotan in DAS RHEINGOLD und DIE WALKUERE in der Neuproduktion von Wagners DER RING DES NIBELUNGEN in der Regie von Achim Freyer an der Los Angeles Opera. Die Saison 2009-2010 fängt an mit seinem Rollendebüt als Der Wanderer in SIEGRFIED an der Los Angeles Opera.