El condotiero se distinguió en muchos combates, pero en 1501 avanzó contra Florencia movido por el deseo de vengar a su hermano Paolo, condenado a muerte por traición (1499), contra las órdenes de César.

Mientras el Borgia se hallaba en negociaciones con la República, Vitellozzo tomó Arezzo, pero forzado por su amo y los franceses, abandonó la ciudad contra su voluntad.

Tomó parte con los Orsini (Giambattista, Paolo y Francesco), su cuñado Oliverotto da Fermo y otros capitanes en la conspiración de La Magione contra los Borgia, que inicialmente consiguió vencerles en la batalla de Calmazzo y tomar algunas ciudades, pero la desconfianza mutua y la incapacidad de los dirigentes ante la energía de César y la promesa de ayuda de Francia desbarataron la conjura.

Buscando reconciliarse una vez más con César, Vitellozzo y otros condotieros se apoderaron de Senigallia en su nombre.

A este trágico final le dedicó Maquiavelo un tratado publicado en 1503 llamado Descripción de la forma en que el duque Valentino tuvo que matar a Vitellozzo Vitelli, Oliverotto da Fermo, el signor Pagolo y el duque de Gravina Orsini.