Родился 19 июля 1971 г. в с. Беловодское Московского района Киргизской ССР (ныне Киргизская Республика) в семье военнослужащего. Отец - Владимир Родионович Кличко (1947-2011), военный атташе посольства Украины в Германии и НАТО, генерал-майор. Мать - Надежда Ульяновна (род. 1949), работала учительницей начальных классов. В 1984 г. вместе с семьей переехал на Украину.
В 1995 г. Виталий Кличко окончил Переяслав-Хмельницкий государственный педагогический институт имени Григория Сковороды, в 2011 г. - Национальную академию государственного управления при президенте Украины.
Кандидат наук в области спорта и физического воспитания. Диссертацию на тему "Методика определения способностей боксеров в системе многоэтапного спортивного отбора" защитил в 2000 г. в Национальном университете физического воспитания и спорта Украины.
С 14 лет занимался боксом. Двукратный чемпион мира по кикбоксингу среди любителей и четырехкратный среди профессионалов, трехкратный чемпион Украины по боксу, серебряный призер чемпионата мира по боксу среди любителей. На профессиональном ринге с 1996 года: чемпион Европы, интерконтинентальный чемпион по версиями WBO и WBA, чемпион мира по боксу в супертяжелой весовой категории по версиям WBO (1999-2000) и WBC (2004-2005, 2008-2013).
Во время "оранжевой революции" 2004 г. поддерживал кандидата в президенты Украины Виктора Ющенко. После избрания Ющенко главой государства был советником президента по вопросам спорта (с марта 2005 г. по ноябрь 2008 г. ).
В декабре 2005 г. возглавил блок "Пора" - партия "Реформы и порядок" ("Пора-ПРП").
В марте 2006 г. был избран депутатом Киевского городского совета от блока "Пора-ПРП", возглавил фракцию своего имени (переизбирался в 2008 г.). Одновременно баллотировался в Верховную раду V созыва по списку "Пора-ПРП", однако блок не преодолел трехпроцентный барьер и в Раду не прошел.
Дважды - в 2006 и 2008 гг. - Виталий Кличко участвовал в выборах городского головы Киева. По итогам голосования 27 марта 2006 г. занял второе место (23,7%), уступив предпринимателю Леониду Черновецкому (32%). На досрочных выборах 25 мая 2008 г. Кличко стал третьим (17,63% голосов) после Леонида Чернвецкого (37,72%) и Александра Турчинова (19,13%).
В апреле 2010 г. возглавил политическую партию "УДАР (Украинский Демократический Альянс за Реформы) Виталия Кличко".
В феврале 2011 г. фракция "Блока Виталия Кличко" в Киевском городском совете была переименована во фракцию "УДАР Виталия Кличко".
В январе 2012 г. Виталий Кличко вместе с представителями оппозиционных партий Украины, в том числе Арсением Яценюком ("Фронт перемен"), Олегом Тягнибоком ("Свобода"), Александром Турчиновым ("Батькивщина"), подписал соглашение о совместных действиях объединенной оппозиции, предусматривающее, в частности, формирование общего списка кандидатов в депутаты Верховной рады. Однако в апреле того же года Кличко сообщил, что его партия будет участвовать в выборах самостоятельно.
28 октября 2012 г. был избран депутатом Верховной рады VII созыва от партии "УДАР". В парламенте возглавил одноименную фракцию, стал членом комитета по вопросам государственного строительства и местного самоуправления.
С 21 ноября 2013 г. вместе с другими оппозиционными лидерами Арсением Яценюком и Олегом Тягнибоком координировал протестные акции в центре Киева ("евромайдан"), начавшиеся в ответ на приостановку украинским правительством процесса подготовки к подписанию соглашения об ассоциации между Украиной и Евросоюзом. В конце января 2014 г. отказался от предложения президента Украины Виктора Януковича занять должность вице-премьера по гуманитарным вопросам. Участвовал в подписании соглашения между властями и оппозицией об урегулировании кризиса в стране.
В феврале 2014 г., после государственного переворота, в результате которого Виктор Янукович был отстранен от власти, Виталий Кличко заявил о готовности баллотироваться на внеочередных президентских выборах 25 мая 2014 г. Однако 29 марта на съезде партии "УДАР" отказался от участия в президентской гонке в пользу кандидата Петра Порошенко и принял решение идти на выборы городского головы (мэра) Киева.
25 мая 2014 г. был избран Киевским городским головой (мэром), получив 56,7% голосов. 5 июня Верховная рада досрочно прекратила депутатские полномочия Кличко в связи с избранием его на этот пост, в тот же день он официально вступил в должность.
С 25 июня 2014 г. одновременно возглавляет Киевскую городскую государственную администрацию.
28 августа 2015 г., в связи с объединением партий "Блок Петра Порошенко "Солидарность" и "УДАР", Виталий Кличко был избран председателем партии "Блок Петра Порошенко "Солидарность". 26 мая 2016 г. подал заявление о сложении полномочий главы партии в соответствии с законом о государственной службе, который запрещает совмещать работу в органах исполнительной власти с членством в политических организациях. Официально оставил пост 31 мая 2019 г., когда новым главой партии был избран Петр Порошенко.
В 2015 г. был переизбран мэром Киева, участвовал в выборах от партии "Блок Петра Порошенко "Солидарность". По итогам голосования 25 октября 2015 г. набрал 40,57% голосов избирателей и вышел во второй тур вместе с депутатом Верховной рады Бориславом Березой (8,85%). 15 ноября 2015 г. Виталий Кличко одержал победу во втором туре выборов с результатом 66,49% (Береза - 33,51%).
25 октября 2020 г. вновь избран мэром Киева, получив 50,5% голосов избирателей (баллотировался от партии "УДАР").
Основатель Международного фонда содействия развитию спорта "Спорт - ХХI век" (1997), председатель правления благотворительной организации "Фонд братьев Кличко" (с 2003 г.).
Награжден орденами "За заслуги" I и III степеней (Украина; 2008, 1999) и "За мужество" I степени (Украина; 2004), "За заслуги перед Федеративной Республикой Германия" (2010), президентским орденом "Сияние" (Грузия, 2013).
Герой Украины (звание получил в 2004 г. "За значительные личные заслуги перед Украиной в развитии спорта, исключительные спортивные достижения, повышения международного авторитета отечественного бокса").
11 июня 2018 г. первым из граждан Украины включен в Международный зал боксерской славы.
Почетный гражданин г. Варшавы (2022).
Женат, трое детей. Супруга – Наталия Валерьевна Кличко (девичья фамилия Егорова; род. 1974), в прошлом спортсменка и фотомодель. Сыновья: Егор-Даниэль (род. 2000), Максим-Александр (род. 2005), дочь - Елизавета-Виктория (род. 2002). Дети имеют гражданство США. Брат – Владимир Кличко, известный боксер.