Родился 18 июня 1937 года в селе Збурьевка Голопристанского района Херсонской области Украины в семье служащего. Русский. Член КПСС с 1966 года. В 1954 году окончил среднюю школу № 164 столицы Азербайджана - города Баку, а в 1959 году - Азербайджанский ордена Трудового Красного Знамени институт нефти и химии имени Мешади Азизбекова, где обучался на отделении "Автоматика и телемеханика" механического факультета, защитив диплом по специальности "Автоматические, телемеханические и электроизмерительные приборы и устройства", с присвоением квалификации "инженер-электрик".

В Советскую Армию инженер-лейтенант запаса Жолобов В.М. призван в год окончания института. Проходил офицерскую службу на полигоне "Капустин Яр".

В январе 1963 года старший инженер-лейтенант Виталий Жолобов зачислен в отряд космонавтов. В 1965 году он окончил полный курс подготовки к космическим полётам.

В июле 1974 года без отрыва от работы в Центре подготовки космонавтов подполковник-инженер Жолобов В.М. заочно окончил Военно-политическую орденов Ленина и Октябрьской Революции Краснознаменную академию имени В.И. Ленина.

Космический полёт, продолжительностью 49 суток 6 часов 23 минуты 32 секунды, В.М. Жолобов совершил с 6 июля по 24 августа 1976 года совместно с полковником Волыновым Б.В. в качестве бортинженера транспортного КК "Союз-21" и орбитальной станции "Салют-5".

За время этого космического полёта была получена обширная и ценная научная информация о физических характеристиках атмосферы Земли. На борту ОС "Салют-5" проведены исследования, показавшие, как протекают различные физические процессы и технологические операции в условиях невесомости. Осуществлены комплексные исследования реакции организма человека на действие факторов длительного космического полёта.

За успешное осуществление орбитального полёта и проявленные при этом мужество и героизм Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 сентября 1976 года лётчику-космонавту СССР полковнику-инженеру Жолобову Виталию Михайловичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 11262).

После космического полёта В.М. Жолобов - командир группы слушателей-космонавтов, инструктор-космонавт Центра подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина. С 1981 года полковник Жолобов В.М. - в запасе. Живёт в Украине.

В 1986 году, после аварии на Чернобыльской АЭС, В.М. Жолобов принимал непосредственное участие в эвакуации людей и оборудования из города Припяти. В 1993 году он стал инициатором создания и возглавил Херсонский фонд "Космонавт Гагарин" по социальной защите инвалидов, малообеспеченных, воинов-афганцев и пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС.

С 12 июля 1994 года по 7 июня 1996 года занимал пост головы (руководителя) Херсонской областной Рады (Совета) народных депутатов. С 11 июля 1995 года был головой Херсонской областной государственной администрации. Является президентом Всеукраинского Объединения "Слава", созданного под патронажем Государственного комитета связи и информации, которое объединяет Героев Советского Союза, Героев Социалистического труда, полных кавалеров орденов Славы и членов их семей. С 11 апреля 2002 года - президент Аэрокосмического товарищества Украины.