Walter Vitali è nato a Minerbio ( Bologna ) il 30 settembre 1952.
Sposato, ha un figlio nato nel 1983.
E' laureato in Filosofia all'Università di Bologna.
Per diciannove anni, dal 1980 al 1999, è amministratore nel Comune di Bologna: assessore per undici anni, sindaco per sei.
Nel 1993 dà vita nel governo di Bologna alla prima esperienza di quella coalizione che poi si chiamerà Ulivo. Rappresenta i sindaci e i comuni italiani nei rapporti con Governo e Parlamento, specie nella preparazione di finanziarie decisive per entrare nella moneta europea.
Nel 1994 firma, insieme a tutti gli altri sindaci e alla Provincia, l'accordo che istituisce la Conferenza metropolitana dei sindaci in vista della costituzione della Città Metropolitana. Presiede i Comitati per la difesa della Costituzione, voluti da Giuseppe Dossetti.
Dal 1995 al 1997 è presidente di Eurocities, l'associazione delle maggiori città europee. Per l'azione di solidarietà e assistenza svolta dal Comune di Bologna in Bosnia durante la guerra interna all'ex Jugoslavia, diventa cittadino onorario di Tuzla.
Nel 1995 Bologna viene proclamata Città europea della cultura per l'anno 2000. Vitali firma con il Vicepresidente del Consiglio Veltroni un protocollo d'intesa che assicura importanti finanziamenti per nuovi spazi e attività culturali nella città, compresa la Biblioteca nazionale delle donne, finalizzati anche alla sua valorizzazione turistica.
Dal 1999 al 2001 è responsabile nazionale autonomie locali dei Democratici di Sinistra.
Nel maggio 2001 viene eletto senatore nel Collegio 7 dell'Emilia-Romagna (Bologna-Bazzano). Nel corso della XIV Legislatura è membro della Commissione Affari Costituzionali del Senato e capogruppo DS-Ulivo nella Commissione bicamerale per le questioni regionali.
Nell'aprile 2006 viene rieletto al Senato per la lista DS della Regione Emilia-Romagna e si iscrive al gruppo dell'Ulivo. Fa parte della Commissione Affari Costituzionali del Senato e viene riconfermato capogruppo PD della Commissione bicamerale per le questioni regionali.
Nell'aprile 2008 viene eletto per la terza volta al Senato per la lista PD della Regione Emilia-Romagna. E' confermata la sua appartenenza alla Commissione Affari Costituzionali del Senato e alla Commissione bicamerale per le questioni regionali.
