Родился 4 октября 1916 г. (21 сентября по старому стилю) в Москве в семье инженера Лазаря Ефимовича Гинзбурга (1863-1942) и врача Августы Вениаминовны Вильдауер-Гинзбург (1886-1920). В четырехлетнем возрасте остался без матери, она скончалась от брюшного тифа. Воспитывался отцом и младшей сестрой матери - Розой Вальдауер.
До 11-летнего возраста получал домашнее образование. В 1931 г. окончил школу-семилетку (учился в ней с четвертого класса). После этого устроился лаборантом в рентгеновскую лабораторию Московского вечернего машиностроительного института (ныне Московский институт электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики").
В 1933 г. поступил на заочное отделение физического факультета Московского государственного университета (МГУ) им. М.В. Ломоносова, через год перевелся на второй курс дневного отделения. В 1938 г. окончил МГУ и был принят в аспирантуру университета.
В 1940 г. в МГУ защитил диссертацию кандидата физико-математических наук на тему "Некоторые вопросы квантовой электродинамики", а в 1942 г. в Казанском государственном университете (ныне Казанский федеральный университет) - докторскую диссертацию на тему "К теории элементарных частиц". Профессор (1945). В 1953 г. был избран членом-корреспондентом, в 1966 г. - академиком Академии наук СССР (АН СССР, ныне РАН).
В сентябре 1940 г. был зачислен докторантом в Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН, Москва). Занимался наукой в теоретическом отделе под руководством физика Игоря Тамма. Во время Великой Отечественной войны около двух лет (1941-1943) вместе с ФИАН находился в эвакуации в Казани. После защиты докторской диссертации, в 1942 г. был назначен старшим научным сотрудником ФИАН. С 1944 г. занимал должность заместителя заведующего, а с 1949 г. - заведующего сектором теоретического отдела института.
По совместительству с 1945 по 1961 г. преподавал на радиофизическом факультете Горьковского государственного университета (ныне Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет, ННГУ, им. Н. И. Лобачевского), был профессором факультета и первым заведующим кафедры распространения радиоволн и радиоастрономии.
В июне 1948 г. Виталий Гинзбург был привлечен к работам по термоядерному (водородному) оружию в составе группы сотрудников ФИАН во главе с Игорем Таммом. Однако на секретный объект - конструкторское бюро №11 (известен как Арзамас-16; ныне Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров Нижегородской области), где начались работы по проекту, допущен не был из-за политической неблагонадежности (в 1946 г. Гинзбург женился на репрессированной Нине Ермаковой). Высказанная Гинзбургом идея об использовании дейтерида лития в водородной бомбе была применена физиком Андреем Сахаровым при разработке проекта, получившего название "сахаровская слойка" (первая советская водородная бомба была испытана в 1953 г.).
С 1963 по 1990 г. - член бюро Отделения общей физики и астрофизики АН СССР. С 1978 г. был советником АН СССР, затем РАН. Входил в состав ряда научных советов академии наук.
В 1968 г. Гинзбург основал и возглавил кафедру проблем физики и астрофизики факультета общей и прикладной физики Московского физико-технического института (МФТИ; ныне вуз имеет статус государственного университета).
В 1971 г., после кончины Игоря Тамма, возглавил теоретический отдел (впоследствии отделение теоретической физики им. И. Е. Тамма) ФИАН. С 1988 г. в институте руководил группой советников АН СССР/РАН в отделении теоретической физики им. И. Е. Тамма. Вел в ФИАН еженедельный семинар по теоретической физике (в 1956-2001 гг.).
В 2004 г. основал фонд "Успехи физики" для популяризации науки. Был главным редактором журнала "Успехи физических наук" (с 1998 г.), ответственным редактором журнала "Радиофизика" (1958-1978). Входил в состав редколлегий журналов "Наука и жизнь" (1961-1978), "Космические исследования" (1963-1970).
Избирался народным депутатом СССР от АН СССР (1989-1991), был членом КПСС (1942-1991).
Виталий Гинзбург являлся одним из ведущих специалистов в области теоретической физики и астрофизики, основателем научной школы по космофизике и твердому телу в Москве (МФТИ) и по радиофизике в Нижнем Новгороде (ННГУ им. Н. И. Лобачевского).
Совместно с Ильей Франком создал теорию переходного излучения, возникающего при пересечении частицей границы двух сред (1946), с Львом Ландау - полуфеноменологическую теорию сверхпроводимости (1950), с Львом Питаевским - теорию сверхтекучести (1958). Автор теории магнитотормозного космического радиоизлучения и радиоастрономической теории происхождения космических лучей.
Виталий Гинзбург скончался 8 ноября 2009 г. в Москве от сердечной недостаточности, похоронен на Новодевичьем кладбище.
Удостоен Нобелевской премии 2003 г. по физике "за пионерский вклад в теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей". Разделил эту международную награду с российским физиком Алексеем Абрикосовым и американским Энтони Леггеттом.
Лауреат Сталинской (1953; за участие в работах по водородной бомбе) и Ленинской (1966) премий. Награжден орденом Ленина (1954), двумя орденами Трудового Красного Знамени (1956, 1986), двумя орденами "Знак Почета" (1954, 1975), орденом "За заслуги перед Отечеством" I и III степеней (2006, 1996).
Был отмечен наградами АН СССР/РАН: премиями им. Л. И. Мандельштама (1947) и им. М. В. Ломоносова (1962), золотой медалью им. С. И. Вавилова (1995; "за выдающиеся работы в области физики, в том числе за серию работ по теории излучения равномерно движущихся источников"), большой золотой медалью им. М. В. Ломоносова (1995; "за выдающиеся достижения в области теоретической физики и астрофизики").
Имел ряд иностранных наград. Среди них премия им. Дж. Бардина (США; 1991), международная премия им. Вольфа (1994/1995, Израиль), золотая медаль Нильса Бора (ЮНЕСКО; 1998), золотая медаль Лондонского Королевского астрономического общества (1991) и др.
Был иностранным членом девяти академий наук и эквивалентных им научных обществ: Великобритании, Дании, Индии, США, Швеции и др. стран. В 2004 г. стал почетным доктором МГУ, в 2009 г. - Казанского университета.
Автор более 400 научных работ, в том числе 10 монографий, а также учебных пособий и автобиографических книг. Среди них "О физике и астрофизике" (1995), "О науке, о себе и о других" (1997), "Недодуманное, недоделанное…" (2001), "О сверхпроводимости и сверхтекучести. Автобиография" (2006), "Об атеизме, религии и светском гуманизме" (2008) и др.
Был дважды женат. В 1937-1946 гг. состоял в браке с однокурсницей Ольгой Ивановной Замша. В 1939 г. у них родилась дочь Ирина (впоследствии окончила, как и родители, физический факультет МГУ). Вторая супруга - Нина Ивановна Гинзбург (урожденная Ермакова), выпускница механико-математического факультета МГУ; в 1944 г. была арестована как участница группы молодежи, якобы готовившей покушение на Иосифа Сталина; реабилитирована в 1956 г.