Осенью 1943 года полк, в котором служил гвардии младший лейтенант В. К. Поляков, участвовал в наступательных действиях Центрального фронта в ходе Битвы за Днепр (Черниговско-Припятская операция) и Белорусского фронта в ходе Гомельско-Речицкой операции. В январе 1944 года полк был выведен в резерв Ставки Верховного Главнокомандования, где находился до лета 1944 года. За этот период полк был перевооружён самолётами Р-39 «Аэрокобра», а лётный и технический состав прошёл переобучение на новой технике. В апреле 1944 года В. К. Поляков был произведён в лейтенанты и назначен на должность командира авиационного звена. С июня 1944 года и до конца войны 54-й гвардейский истребительный авиационный полк сражался на 1-м Белорусском фронте. В. К. Поляков участвовал во всех крупных операциях фронта (Белорусская стратегическая, Висло-Одерская, Восточно-Померанская и Берлинская операции). Всего за время войны он совершил 175 боевых вылетов. Боевой путь Виталий Константинович закончил под Берлином в звании гвардии старшего лейтенанта в должности заместителя командира авиационной эскадрильи. 24 июня 1945 года он участвовал в Параде Победы на Красной площади в Москве.