Né à Dobrovodi en Ukraine, le baryton Vitaliy Bilyy étudie la direction de chœur et l’art lyrique au conservatoire d’état d’Odessa en Ukraine. En 1997, il intègre la chorale d’état d’Odessa en tant que soliste, et s’y produit en parallèle de ses études au conservatoire. Il fait ses débuts à l’Opéra d’Odessa dans le rôle de Germont dans la Traviata de Verdi. En 2002, il rejoint la compagnie du Novaya Opera pendant deux ans à Moscou. Il se construit alors un répertoire, ayant notamment l’opportunité de chanter le rôle du Comte de Luna dans Le Trouvère et le rôle-titre de Nabucco de Verdi ou Silvio dans Paillasse de Leoncavallo.

En 2007, il fait ses débuts au Metropolitan dans Guerre et paix de Prokofiev dans le rôle de Denisov. Son rôle du Comte de Luna dans Le Trouvère le ramène au Met en 2011, mais aussi au Théâtre du Capitole en 2012 et au Bayerische Staatsoper en 2013. À la Scala, il chante les rôles-titres de Luisa Miller en 2012, Macbeth en 2013 et Simon Boccanegra (Paolo Albiani) en 2014. Il joue également Renato dans Un Bal masqué au Théâtre du Capitole en 2014. L'année suivante, il interprète le Prince Yeletski dans La Dame de Pique de Tchaïkovski à Rome. Il prend en 2016 le rôle d’Amonasro dans Aida de Verdi à l'Opéra de Paris (où il a débuté en Comte de Luna quelques mois plus tôt). Il y revient en 2017 en Alfio dans Cavalleria Rusticana de Mascagni. L'Opéra de Munich le reçoit alors en Escamillo dans Carmen de Bizet. Puis, le Théâtre du Capitole (Toulouse) l'accueille pour sa prise du rôle de Don Carlos dans Ernani de Verdi ainsi qu’en Lord Enrico dans Lucia di Lammermoor de Donizetti. En 2019, il prend le rôle de Don Carlo dans La Force du destin à Santiago avant d’incarner Georgio Germont dans La Traviata à l’Opéra de Los Angeles. 

En 2020/2021, Vitaliy Bilyy chantera le rôle-titre dans Macbeth à Santiago en novembre. Le baryton prévoit d'ailleurs d'ores-et-déjà de retourner dans la capitale chilienne en novembre 2021 pour sa prise du rôle de Carlo Gerard dans Andrea Chenier.