Vitantonio Liuzzi commence le karting en 1991 et y reste une dizaine d'années. En 1993, il remporte le championnat italien de la discipline, puis devient vice-champion du monde en 1995. En 1996, il devient junior intercontinental A et remporte à nouveau le titre italien. L'année suivante, il passe en catégorie senior, puis en 1998, il court en Formule Super A, l'échelon le plus élevé du karting. Il termine troisième du championnat européen en 1999 et remporte le trophée du Mémorial Ayrton Senna. La saison suivante, il se classe deuxième de la Coupe du monde. En 2001, il participe au championnat du monde FIA-CIK.

La monoplace

En 2001, il fait également ses premiers pas dans le championnat allemand de Formule Renault, se distingue en remportant une course sur le Nürburgring et termine vice-champion. En 2002, il passe à la Formule 3 avec l'Opel Team BSR. Il décroche deux pole positions, mais ne parvient jamais à monter sur la plus haute marche du podium en Allemagne. En revanche, il triomphe sur le circuit d'Imola. Un potentiel qui lui permet d'effectuer des essais en F3000 avec Coloni et en Formule 1 avec Williams.

En 2003, l'écurie Coloni Motorsport l'engage pour courir le championnat du monde de F3000, où il se distingue comme le meilleur rookie de la saison, grâce notamment à une pole position en Hongrie et à deux podiums. En 2004, il court avec l'écurie Arden et impose sa suprématie dans cette catégorie : sur dix courses, il monte neuf fois sur le podium, dont sept fois sur la plus haute marche.

En F1 avec Red Bull

Il décroche ainsi un volant chez Red Bull Racing en Formule 1. Il court une partie de la saison en alternance avec Christian Klien et profite de la disqualification des BAR à Saint-Marin pour marquer le point de la huitième place. Après quatre courses, il doit laisser sa place à Klien pour le reste de la saison.

Toro Rosso

Vitantonio aurait pu rester pilote d'essai chez Red Bull si son patron, Dietrich Mateschitz, n'avait pas créé une seconde équipe, Toro Rosso, dirigée par Gerhard Berger. Avec une voiture très peu compétitive, dérivée de la Red Bull RB1 de 2005, le pilote italien ne réalise pas de miracles, mais il marque le premier (et unique) point de l'équipe à Indianapolis, en terminant avant-dernier. Hormis cela, il se contente surtout des dernières places, sans pour autant démériter. Il domine ainsi assez nettement son coéquipier, l'Américain Scott Speed, un autre pur « produit » Red Bull.

Vitantonio, tout comme son coéquipier Speed, voit son contrat renouvelé pour 2007 par Berger. Pour cette saison, Toro Rosso obtient la même monoplace que Red Bull, la RB3, équipée d'un moteur Ferrari. Mais l'écurie ne décolle vraiment pas, et pire encore, la fiabilité de la monoplace est catastrophique. Vitantonio connaît ainsi neuf abandons consécutifs entre Sakhir et Budapest. Au Nürburgring, après deux accidents sous la pluie allemande, l'Italien et Speed sont violemment pris à partie par leurs patrons, Franz Tost et Gerhard Berger. Speed est licencié à la suite de cet incident, tandis que Vitantonio apprend peu après qu'il devra céder son volant à Sébastien Bourdais pour la saison 2008. Pour la fin de la saison, l'arrivée de Sebastian Vettel dans l'écurie pour remplacer Speed aurait pu lui porter préjudice. Finalement, Tonio parvient souvent à devancer l'Allemand. Il obtient même une belle récompense à Shanghai, avec une sixième place sous la pluie, alors que Vettel est quatrième.

Force India

Il se met alors à la recherche d'un volant pour 2008. Il effectue des essais pour la nouvelle équipe Force India et est finalement retenu, mais uniquement en tant qu'essayeur. Il occupe ce poste pendant près d'un an et demi. Parallèlement, il dispute la saison 2008-2009 du championnat SpeedCar Series, une compétition de voitures de tourisme qui rassemble de nombreux retraités et déçus de la Formule 1. Avec l'équipe UP, il remporte trois courses et termine le championnat à la troisième place. Il dispute également quelques manches d'A1GP pour l'équipe italienne et parvient à signer une pole position.

En septembre 2009, il revient aux choses sérieuses en étant promu deuxième pilote de Force India à partir du Grand Prix d'Italie. Il remplace ainsi Giancarlo Fisichella, parti chez Ferrari. Son retour est très remarqué : qualifié au septième rang, il occupe une excellente quatrième place en course lorsqu'il doit abandonner à cause d'un problème de transmission. Les quatre derniers Grands Prix de la saison voient cependant la Force India rentrer dans le rang et il retrouve le fond de la grille auquel il était habitué chez Toro Rosso. Il n'en est pas moins performant et tient tête à son coéquipier Adrian Sutil. Cette performance convainc Vijay Mallya, le patron de Force India-Mercedes, de lui offrir une place de titulaire pour 2010, aux côtés de Sutil.

Cette saison s'annonce sous de bons auspices. La VJM03 de 2010 est une bonne voiture qui permet de viser régulièrement les points. Vitantonio se met donc en valeur lors des premières courses du championnat et inscrit huit points lors des deux premières manches. Mais par la suite, il va peu à peu laisser la vedette à Sutil. En effet, alors que l'Allemand termine très régulièrement dans les dix premiers, il se retrouve le plus souvent englué dans le ventre mou du peloton. Sa seule course notable est le Grand Prix du Canada. Cinquième sur la grille de départ, il se retrouve en lutte avec Felipe Massa dès le départ, puis remonte des dernières places jusqu'à la neuvième position. Mais tout cela ne fait pas oublier sa médiocre première partie de saison. Ainsi, entre les Grands Prix d'Espagne et d'Italie, soit dix courses, Sutil a inscrit trente-cinq points, contre seulement cinq pour lui. La fin du championnat est un véritable désastre, puisqu'il termine quatre épreuves par un accrochage ou un accident. Une sixième place sous la pluie en Corée ne suffit pas à égayer le tableau. Il se classe quinzième du championnat, un résultat qui ne satisfait évidemment pas la direction de Force India. Il doit ainsi abandonner son baquet à l'essayeur Paul di Resta pour la saison 2011. A 30 ans, il est désormais probable que l'Italien ait laissé passer sa dernière chance de s'installer durablement en Formule 1.

HRT

Après avoir participé aux essais hivernaux avec HRT, il signe avec l'écurie espagnole début mars et sera l'équipier de Narain Karthikeyan pour une saison 2011 qui s'annonce difficile, l'équipe étant en pleine phase de développement et de difficultés techniques et financières. Vitantonio connaît une saison globalement compliquée, marquée par des qualifications en fond de grille et une position moyenne aux alentours de la 22e place ! En course, il termine en moyenne à la 20e place, souvent dernier. Il doit donc se contenter d'atteindre l'arrivée sans incidents, malgré les faibles performances du châssis, lors de la majorité des Grands Prix. Il a notamment réussi à terminer 16e à Monaco et 13e au Canada, ce qui, compte tenu de la situation de l'écurie, pouvait être considéré comme de petites satisfactions. Cependant, dans la deuxième partie de la saison, il est dominé par Daniel Ricciardo, qui remplace Karthikeyan. Malgré son expérience avec Red Bull, Toro Rosso et Force India, ses performances ne se sont pas traduites en résultats marquants en 2011, et il n'a pas conservé son volant pour 2012.

L'après-F1

En 2012, sans volant en Formule 1, il se tourne vers le championnat italien de voitures de tourisme, la Superstars Series, et pilote une Mercedes-AMG C63 du CAAL Racing. Il remporte deux victoires au cours de la saison et termine troisième du championnat. Parallèlement, il participe au Championnat du monde d'endurance FIA en catégorie LMP2 avec Lotus, où il prend part à plusieurs manches. En 2013, il poursuit en LMP2 avec la même équipe, utilisant un nouveau modèle de voiture, la Lotus T128.

En 2014, il revient à la monoplace en participant à l'intégralité du championnat japonais de Super Formula avec l'équipe HP Real Racing. Il n'obtient comme meilleur résultat qu'une huitième place et termine seizième du championnat avec peu de points. La même année, il dispute également des courses de Super GT au Japon avec l'équipe ARTA, au volant d'une Honda NSX Concept.

Entre 2014 et 2016, il participe partiellement au championnat de Formule E de la FIA avec l'équipe Trulli Formula E, prenant le volant pour cinq courses en 2014-2015, puis poursuivant en 2015-2016.

Il met un terme à sa carrière professionnelle dans le sport automobile en 2016 pour se consacrer à ses activités privées, mais reste impliqué dans le sport en devenant commissaire pour la FIA, notamment dans la Formule E, puis en Formule 1 à partir de 2019.