Etter pave Eugenius Is død 2. eller 3. juni 657 ble Vitalian valgt til hans etterfølger, ble bispeviet og intronisert den 30. juli. I likhet med sin forgjenger forsøkte Vitalian å gjenopprette et godt forhold til Konstantinopel ved vennlige gester overfor den bysantinske keiser Konstans II og bane vei for en løsning på den monoteletistiske strid.