,in tre stagioni dal 2005 al 2008, centra la promozione in Serie A dove si conferma tra i talenti emergenti del campionato. Nell’ultima stagione, ‪2007-2008‬, Vitali chiude con 10.4 punti di media per gara e 3.1 assist.

Al termine dell’esperienza marchigiana, Vitali si trasferisce all’Olimpia Milano dove disputa una buona stagione tra campionato, 7.4 ppg, ed Eurolega, con un massimo di 32 punti nella vittoria sul Panionios. Successivamente Vitali gioca per due stagioni alla Virtus Roma e, nel ‪2011-2012‬, in Virtus Bologna.

Nel ‪2012-2013‬ il playmaker della Gevi arriva alla Vanoli Cremona rendendosi protagonista di un’ottima stagione con 13.3 punti per gara e 4.8 assist. Dopo un anno a Venezia, 10.1 punti e 3.9 assist, Vitali ritorna a Cremona per due stagioni, intervallate dall’esperienza nel massimo campionato spagnolo con Gran Canaria.

Nelle ultime cinque stagioni Luca Vitali ha giocato con la Germani Brescia confermandosi tra i migliori playmaker del campionato. Nella stagione ‪2020-2021‬, Vitali chiude con una media di 6 punti per partita e 5 assist. Nell’esperienza bresciana il regista ha raggiunto per ben due volte il record di assist in una singola partita arrivando a quota 18. Nella speciale classifica dei migliori assistman del Campionato Italiano di tutti i tempi, Luca Vitali è al secondo posto, con 1616 assist, dietro solo a Gianmarco Pozzecco.

Con la Nazionale Vitali ha giocato, tra le altre manifestazioni, l’Europeo del 2013 ed i Mondiali del 2019.

Il Nuovo Playmaker della Gevi Napoli Basket giocherà con la maglia numero 7.