Виталий работал слесарем вагоноремонтных мастерских, занимался в кружках художественной самодеятельности.
В 1928 году поехал в Ленинград и поступил в Институт сценических искусств (Театральный техникум, мастерская И.Н. Певцова).
В 1928-1930 годах учился в Ленинградском институте сценических искусств .
Виталий Доронин начал творческую деятельность в Ленинградском ТРАМе, не доучившись двух лет театральном институте. Поменяв множество российских сцен, он стал премьером Московского театра Сатиры. Самой успешной ролью на этой сцене, а затем и в кино стал Курочкин в «Свадьбе с приданым» — за эту работу актёр получил Сталинскую премию.
Однако в «Сатире» Доронин задержался ненадолго. Он ушёл в Малый театр, где играл в классике: «Власть тьмы» (Никита), «Гроза» (Тихон), «Горе от ума» (Репетилов), «Господа Головлёвы» (Порфирий), Лука Купьелло («Рождество в доме синьора Купьелло»). В искусстве Доронина комедийная лёгкость, мягкий юмор сочетались с драматическим темпераментом и отточенной техникой.
В 1930 году – Ленинградский ТРАМ (начало профессиональной деятельности). С 1931 по 1933 гг. – театр им. К.Маркса, г. Саратов. С 1933 по 1935 гг. – театр Особой Краснознаменной Дальневосточной Армии, г. Хабаровск (действительная служба в рядах РККА). С1935 по 1938 гг. – Мюзик-холл и по совместительству в Ленинградской гос. Эстраде. В 1939 году – Театр Комедии, г. Москва.
С1940 по 1941 гг. – съемки к/ф «Боксеры», г. Одесса. С 1941 по 1945 гг. – Московский драматический театр, который дислоцировался при школе летчиков им. В.П.Чкалова в г. Борисоглебске (передвижной фронтовой). В 1945 году – переведен приказом в театр Сатиры, г.Москва. В годы войны был актёром Передвижного фронтового Московского драматического театра.
В Харьковском театре миниатюр дирижировал джаз-оркестром, исполнял жанровые песни. Большой успех и признание получил Доронин в роли Курочкина («Свадьба с приданым» Н.Дьяконова, 1951). 17 марта 1951 г. за эту роль В.Доронину была присуждена Сталинская премия III степени (Государственная премия).
С 5 октября 1951 года — актер Малого театра, вскоре подтвердивший славу блестящего комедийного актера, мастера «московской» школы реалистической игры. В его искусстве комедийная легкость, мягкий юмор, простодушная открытость органично сочетались с подлинно драматическим темпераментом. Народный характер дарования Доронина, «загадочность русской души» неожиданно проявились в трагической роли Никиты («Власть тьмы» Л.Н.Толстого, 1956).
Доронин был активно занят в репертуаре театра. Среди множества сыгранных им ролей особым, «доронинским» обаянием отмечены Борейко (Порт-Артур И.Попова, А.Степанова, 1953), Швандя (Любовь Яровая К.А.Тренева, 1961), Репетилов (Горе от ума А.С.Грибоедова, 1963), Тихон (Гроза А.Н.Островского, 1962), Дюков (Инженер Е.Каплинской, 1971), Павел Русу (Птицы нашей молодости И.Друце, 1973) и др. 1 июля 1954 г. Доронину было присвоено звание заслуженный артист РСФСР, а в 1964 г. – народный артист РСФСР.
С 1941 года снимался в кино. Киногерои Доронина – люди действия, активного склада души, жизнелюбы. Среди них футболист (Центр нападения, 1946), чемпион-боксер Дорохов (Боксеры, 1947), шахтер (Донецкие шахтеры, 1951), генерал (Нормандия – Неман, 1960) и другие.
Награжден орденами «Знак Почета» (1967), Орден Трудового Красного знамени (1974) и медалями «За оборону Заполярья», «За доблестный труд в годы ВОВ», «В память 800-летия Москвы».
Был дважды женат. Первый брак с Цветковой Натальей Сергеевной (1903 – 1952) , актрисой театра Сатиры. Второй брак с Роек Констанцией Францевной (1923 – 2005), актрисой Малого театра. Дочь Елена Доронина — актриса Малого театра (1955 - 2011).
Умер Виталий Доронин в Москве 20 июня 1976 года. Похоронен на Ваганьковском кладбище.