Hijo mayor de Giovanni Battista Vitali. Su padre, que probablemente le enseñó a tocar el violín, lo llevó a Módena en 1674, donde Tomaso Antonio estudió composición con Antonio María Pacchioni, y fue empleado de la orquesta de la corte de Este desde 1675 a 1742, primero como violinista y después como su director.

Edición discográfica de "Doce trío sonatas" de Tomaso Antonio Vitali

Fue un destacado maestro, cuyos alumnos incluyen a Evaristo Felice dall'Abaco, Jean Baptiste Senaillé, Girolamo Nicolò Laurenti y Luca Antonio Predieri. Los trabajos auténticos de Vitali incluyen una colección de "Trío sonatas" publicada como su opus numero 1 y 2 (1693), "Sonatas de cámara"  y "Sonatas para violín" (incluyendo su opus 6) entre otras obras. Los trabajos de Vitali son todos instrumentales; sus sonatas solas y de trío revelan las influencias de su padre y de Corelli.

Sin embargo, es principalmente conocido por una “Chaconne en Sol menor” para violín y continuo, probablemente no realmente de él, que se hizo primero ampliamente conocida en una edición del siglo XIX del violinista alemán Ferdinand David.. La Chaconne está marcada por el copista, en el momento de la trascripción, en el margen superior de la primera página del manuscrito Sächsische Landesbibliothek de Dresden, como "Parte del Tomaso Vitalino", quién puede o no ser Vitali.

Un rasgo llamativo del estilo de la Chaconne de Vitali es la manera en que desatinadamente cambia de tonalidad, alcanzando las regiones de Si bemol menor y, también, Re sostenido menor, atípicos de la era Barroca, pues el cambio de claves llegó a ser típico sólo en el Romanticismo. A pesar de su procedencia dudosa, la pieza ha sido siempre popular entre los violinistas.