Война прервала работу по любимой специальности. Осенью 1941 года Виталий Горбунов стал курсантом Ленинградского Второго пехотного училища, которое эвакуировали в город Глазов, Удмуртия; в феврале 1942 года окончил училище и получил звание лейтенанта. В апреле 1942 года был направлен на Волховский фронт командиром миномётной роты. В том же году он стал членом коммунистической партии. Воевал на Волховском, Ленинградском и Прибалтийском фронтах; освобождал от фашистов Эстонию и Латвию; участвовал в боях на Нарвском плацдарме в ходе Ленинградско-Новгородской операции; в боях Псковско-Островской операции у оборонительного рубежа на подступах к Мариенбургу; в ликвидации немецко-фашистской группы войск «Курляндия»; в освобождении Риги. В боях у реки Нарва в феврале 1944 года был ранен.