Né à Monza, il fit de la moto puis pilote des karts avant de rejoindre son frère Tino en Formule 3 en 1968. Bien qu'il n'eût pas fini toutes les courses, Vittorio termina deuxième au classement général. En 1969, il monta d'un échelon. Ses frères s'associèrent en Formule 2 en 1970, mais Brambilla passa la plus grande partie de l'année à casser des moteurs en essayant de rivaliser avec des pilotes qui disposaient de meilleurs engins. Ce n'était pas suffisant pour piloter rapidement de temps en temps d'autant plus que Vittorio détruisit plusieurs châssis, et les fonds étaient trop limités pour que le projet puisse réussir. Ce n'est que lorsque Beta Tools accepta de le financer en 1973 qu'il fit des progrès. Il amena Beta Tools en Formule 1 en 1974 avec March et il marqua son premier point avant la fin de l'année. Sa seconde saison était très prometteuse, avec la pole position en Suède, mais il abandonna fréquemment jusqu'à ce qu'il puisse réussir les conditions nécessaires pour gagner le Grand Prix d'Autriche sous une pluie battante. Quelques secondes après avoir traversé la ligne d'arrivé, Vittorio leva les bras en l'air en signe de victoire, perdit le contrôle de son véhicule et écrasa son bolide. Il alla chez Surtees en 1977 mais n'obtint pas de grands résultats, sauf une quatrième place en Belgique. Ensuite, arriva le désastre du Grand Prix d'Italie de 1978 : il fut frappé à la tête dans l'accident qui devait aussi entraîner la mort de Ronnie Peterson. Ce n'est qu'un an plus tard que Vittorio revint au cockpit, retournant à Monza pour Alfa Romeo. Cependant, la vitesse d'autrefois n'était plus là, et il se retira de la Formule 1 après quelques autres Grands Prix.