С 14 лет занимался боксом. Двукратный чемпион мира из 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, за версиями WBO и WBA, чемпион мира из бокса в супертяжелой весовой категории за версиями WBO и WBC.
Политическую карьеру начал в марте 2006 г., когда одновременно баллотировался в Верховную Раду и Киевский городской совет как председатель блока "Пора-ПРП". По итогам выборов возглавил фракцию "Блок Виталия Кличко" в Киевском горсовете. После внеочередных выборов мэра и горсовета весной 2008 г. "Блок Виталия Кличко" вдвое увеличил свое представительство в местном законодательном органе.
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".
На выборах в Верховную Раду 28 октября 2012 г. партия "УДАР" получила 13,96 проц. голосов (42 депутатских мандата), сам Кличко 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, 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.
25 февраля 2014 г. заявил, что будет баллотироваться в президенты Украины на внеочередных выборах 25 мая. 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.
25 июня 2014 г. указом президента Украины назначен главой Киевской городской государственной администрации. Право назначать на эту должность предоставлено президенту, а решение конституционного суда от 2003 г. позволяет одному человеку занимать должности Киевского городского головы и главы Киевской городской государственной администрации, так как считается, что их совмещение является наиболее верным залогом эффективной работы руководителя города.
28 августа 2015 г. избран председателем партии "Блок Петра Порошенко "Солидарность" (на специальном съезде было приятно решение об объединении партий "Блок Петра Порошенко "Солидарность" и "УДАР").
15 ноября 2015 г. во втором туре вновь избран Киевским городским головой, получив поддержку 66,49% избирателей. Выдвигался кандидатом от "Блока Петра Порошенко "Солидарность".
