В 1959 году окончил Азербайджанский институт нефти и химии, потом служил в авиационной части.
В 1974 году окончил Военно-политическую академию имени В.И. Ленина.
С 1963 года по 1981 год работал в Центре подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина. В отряде космонавтов — с 1963 года.
Виталий Жолобов с 6 июля по 24 августа 1976 года совершил полет в космос вместе с Борисом Волыновым на космическом корабле «Союз-21» к орбитальной станции «Салют-5» в качестве бортинженера. Полет, запланированный на 60 суток, продлился 49. Причиной его завершения стал неприятный запах, который космонавты ощутили на борту, он напоминал запах токсичного ракетного горючего, о чем Виталий Жолобов сообщил в Центр Управления Полетом. Руководство посчитало нужным прервать полет, чтобы не подвергать экипаж опасности, тем более, что на тот момент обширная программа научно-технических и медико-биологических исследований была успешно завершена.
В 1981 был уволен в запас из рядов Советской Армии с должности командира группы слушателей-космонавтов и инструктора-космонавта.
В 1982 году переехал в Киев.
С 1983 по 1987 год работал заместителем генерального директора научно-производственного объединения «Маяк», избирался депутатом Киевского горсовета народных депутатов.
В 1986 году — участник ликвидации последствий аварии на ЧАЭС.
В 1987—1991 гг. — начальник аэрокосмогеологической партии в городе Ноябрьск Тюменской области.
В 1991—1992 гг. — заведующий кафедрой филиала Института повышения квалификации Министерства геологии России.
С 1993 года — председатель Совета Героев Советского Союза города Киева.
В 1993 году избран действительным членом Транспортной академии Украины.
В 1994 году избран в Херсонской области Председателем Херсонского областного совета — главой Херсонской областной администрации. Занимал эту должность до 1996—года.
С 12 июня 1996 года по 4 февраля 1997 года занимал должность заместителя Генерального директора Национального космического агентства Украины.
С 1999 года — председатель совета Киевской организации «Слава», с 2001 года — президент Всеукраинского объединения «Слава».
С 11 апреля 2002 года является президентом Аэрокосмического общества Украины.
Виталий Жолобов награжден орденами Ленина (1976), «За заслуги» III ст. (2008), медалью «За заслуги в освоении космоса» (12 апреля 2011 года) и др.
Сайт «Герои страны»ВикипедияКосмическая энциклопедия