Vittorio Brambilla n'eut pas la réussite qu'il escomptait en Formule 1, à quelques exceptions près cependant.

Vittorio débute dans les sports mécaniques sur deux roues en 1957 où il remporte l'année suivante, le titre italien dans la catégorie 175cc. Par la suite, il se met au karting et est également le mécanicien de son frère Ernesto qui court en Formule 2.

En 1969, il est de retour derrière un volant, celui d'une Formule 3 Birel de l'équipe Picchio Rosso, avec laquelle il s'en va remporter les épreuves de Vallelunga et de Monza. L'année suivante, son écurie lui permet de courir en Formule 2 sur une Brabham-Ford, réussissant à terminer en deuxième position lors de la course de Salzbourg, puis de celle de Munich. En 1971, il continue de courir en F2 et est de retour dans le championnat italien de F3, où il gagne à Monza et Imola. C'est l'année suivante, que Vittorio va enfin remporter le titre italien de F3, avec quatre victoires au cours de l'année. En 1973, il dispose d'une March-Ford de l'écurie Beta Racing, et montre enfin son talent en s'imposant lors des épreuves de Salzbourg et d'Albi, deux victoires qui couronnent une belle saison. Aussi, en guise de félicitations pour ses bons services, Beta décide d'aider Vittorio à obtenir un volant chez March en F1 pour 1974.

Vittorio dispose d'un volant de titulaire en remplacement de Howden Ganley au sein de l'équipe March et aux côtés de Hans Joachim Stuck. Il se trouve souvent loin en qualifications, mais cela ne l'empêche pas de se classer dans les dix premiers à plusieurs reprises. Il réussit d'ailleurs à marquer son premier point sur le circuit de l'Österreichring. La saison 1975 est sa meilleure année, il réalise de meilleures qualifications et réussit même à décrocher la pole position en Suède. Il mène les quinze premiers tours, avant que sa transmission ne lui fasse défaut.

Lors du Grand Prix d'Autriche, couru sous la pluie, il réussit à se placer en tête au dix-neuvième tour avant que la course ne soit interrompue dix tours plus tard à cause d'un orage violent. Il est si heureux qu'il lâche les mains de son volant, part en aquaplanage et va s'écraser contre un rail. C'est donc avec une voiture détruite à l'avant qu'il effectue son tour d'honneur.

Malheureusement, en 1976, les performances ne sont plus au rendez-vous, en championnat en tout cas, car s'il ne marque qu'un seul point aux Pays-Bas, il réussit en dehors du championnat, à terminer deuxième lors de l'International Trophy et quatrième de la Race of Champions, deux courses de F1 hors-championnats.

En 1977, il décide de passer chez Surtees, et même si la voiture n'est pas des plus performantes, Vittorio réussit deux belles courses, quatrième en Belgique et cinquième à Hockenheim. C'est en voiture de sport qu'il connaîtra une vraie réussite cette saison. Pilote pour l'écurie Autodelta, il place son Alfa Romeo en première position à quatre reprises.

En 1978, Vittorio dispose d'une nouvelle monoplace Surtees, mais elle est moins compétitive. D'ailleurs, il manque à trois reprises la qualification. En Italie il est impliqué dans le carambolage qui coûte la vie à Ronnie Peterson, le pilote italien s'en sort avec une commotion qui le laisse indisponible pour toute une année. Il ne court que quatre autres courses en championnat sur les saisons 1979 et 1980, avec l'écurie Autodelta. Il court en voitures de sport avec Osella jusqu'à son retrait de la compétition en 1981.