Baini y la mayoría de los biógrafos siguientes han sostenido que Vittori estudió en Roma bajo Francisco Soto de Langa, Giovanni Maria y Giovanni Bernardino Nanino y Francesco Soriano. Allí parece, sin embargo, no haber ninguna evidencia para apoyar esta afirmación, que puede ser nada más que una conjetura de la aserción del músico renacentista  Gotthart Erythraeus (1560-1617) de que fue enseñado por ‘los mejores maestros de toda Italia'; en todo caso probablemente habría sido demasiado joven para haber estudiado con G. M. Nanino (muerto en 1607).

Frontispicio de "Arie a voce sola" de Loreto Vittori - 1649

En algún momento antes de 1619 fue llevado a Florencia por Niccolo Doni, un pariente del musicólogo Giovanni Battista Doni (1593–1647). Vivió allí en la casa de Doni bajo el patrocinio del Gran Duque Cosimo II y, según Erythraeus, aprovechó tan bien la educación  recibida que pudo desempeñar papeles principales en producciones escénicas florentinas, incluyendo el “Medoro” de Peri y de Gagliano (1619). Su habilidad como cantante también atrajo la atención del  joven pero poderoso cardenal Lodovico Ludovisi (sobrino del Papa Gregorio XV), quién solicitó a Cosimo liberarlo para que entrara a su servicio.

La sección autobiográfica del poema de Vittori "Troja rapita" (Macerata, 1662) sugiere, sin embargo, que no se trasladó a Roma hasta unos seis meses después de la muerte de Cosimo en 1621. En Roma permaneció en el servicio de Ludovisi hasta la muerte de éste en 1632. Este periodo marcó el comienzo de su carrera hacia la fama como cantante. El 23 de enero de 1622 fue admitido al coro papal como soprano sin la audición usual. En algún momento entre 1623 y 1624 el Papa Urbano VIII lo hizo ‘Cavaliere della Milizia di Gesù Cristo’.  En 1624 viajó al Bolonia con Ludovisi y cantó en Florencia en la sacra rappresentazione de Gagliano "La regina Sant’Orsola". En 1626 cantó en Roma en "La catena d'Adone" de Domenico Mazzocchi, probablemente como la hechicera Falsirena. Y en 1628 viajó de nuevo a Florencia y a Parma para tomar parte en las celebraciones para la boda de Odoardo Farnese y Margherita de' Medici. En Florencia cantó en la "Flora" de Gagliano; en Parma probablemente en el "Mercurio e Marte" de Monteverdi.

En algún momento después de la muerte de Ludovisi Vittori entró en el servicio del cardenal Antonio Barberini, aunque había cantado en varias ocasiones para Barberini desde por lo menos 1623. Su nombre aparece en las listas de sueldos de la casa de Antonio Barberini entre 1637 y 1642 junto con los de otros cantantes, como Marc'Antonio Pasqualini y Lorenzo Sances (Lorenzino). Al mismo tiempo, sin embargo, continuó su carrera en el coro papal, actuando como su camarlengo desde 1642 a 1644.

En 1643 se ordenó sacerdote en una ceremonia imponente en la Chiesa Nuova. Dejó el coro papal el 27 de enero de 1647 y pidió una pensión en honor a sus 25 años de servicio. Poco se conoce de las últimas décadas de su vida. La última evidencia documental disponible de su actividad en Roma muestra que en 1650 fue designado para actuar como maestro de coro para una actuación especial de Año Santo en  el Oratorio del Crocifisso el tercer viernes de Cuaresma. Se sabe, sin embargo, que también volvió a su Spoleto natal en 1648, 1655 y 1656 para cantar en la catedral en la Fiesta de la Asunción, y que en 1662 se hizo miembro de la Accademia degli Ottusi en Spoleto. Fue enterrado en Santa María sopra Minerva, Roma.

Vittori fue uno de los más celebrados cantantes romanos de mediados del siglo XVII y entre los primeros de una larga línea de castratos operísticos. En escritos de la época su nombre fue asociado a menudo, no siempre a favor suyo, con el de Pasqualini, que también era un castrato. El 22 de febrero  de 1642 ambos hombres tomaron parte en la primera  función de la ópera de Luigi Rossi "Il palazzo incantato", ovvero "La guerriera amante", desempeñando Vittori  el papel de Angelica; y en esta ocasión por lo menos, como Ottaviano Castelli de mala gana escribió al cardenal Mazarino, fue considerado el actor excelente de la tarde.

En su mayoría sólo los textos de las obras dramáticas de Vittori sobreviven; y el drama sacro "San Ignazio di Loyola" (realizado por primera vez en el Gesù, el 7 de julio de 1640, para el centenario de la fundación de la orden jesuita) sólo es conocido por las descripciones de la época. "Santa Irene" y "La fiera" son de interés por la forma de su interpretación.

La elegante ópera pastoral  de Vittori "Galatea", la únic. a de sus obras dramáticas cuya música sobrevive, probablemente fue escrita durante un periodo de destierro forzado en Spoleto luego del rapto de Vittori, el 7 de noviembre de 1637, de Plautina Azzolini, la esposa del pintor florentino Francesco Borbone. La ópera fue dedicada a Antonio Barberini y se puede haber dado en el Teatro Barberini, aunque ninguna función está documentada antes de una en Nápoles en 1644 en el palacio del Príncipe Cariati. Alguna de la mejor música de la obra se encuentra en su escritura coral.

Como poeta Vittori publicó, además de la antes mencionada "La troja rapita", una colección de "Dialoghi sacri e morali" (Roma, 1652), textos escritos para el oratorio de la Chiesa Nuova, Roma. Uno de los textos es una parodia del "Lamento d'Arianna" de Ottavio Rinuccini; la música de Marazzoli sobre otro de los textos, "Santo Tomaso", sobrevive en manuscrito en Bolonia.