Și-a început cariera în calitate de consultant juridic la o companie privată, iar după absolvirea Facultății de drept a Universității Libere Internaționale din Moldova ajunge consultant principal în cadrul Serviciului Documentare a Aparatul Președintelui Republicii Moldova.
Din 2001 până în 2006 va fi reprezentant guvernamental la Curtea Europeană a Drepturilor Omului și șef al Direcției generale relații internaționale și integrare europeană a Ministerului Justiției. În septembrie 2006 este numit ministru al Justiției, funcție pe care o va exercita până în septembrie 2009, când comuniștii vor pierde guvernarea în favoarea noii Alianțe pentru Integrare Europeană. Tot atunci, timp de doar o zi va fi premier interimar, după ce Zinaida Greceanîi a renunțat la fotoliul de premier.
Ulterior, Vitalie Pîrlog va lucra în domeniul privat, ca avocat, dar va continua tentativile de a accede în funcții publice. În 2012 își depune candidatura pentru funcția de procuror general al Republicii Moldova, dar nu este selectat de către Parlament. În noiembrie 2010 și noiembrie 2014 candidează în Parlament pe listele Partidului Comuniștilor din Republica Moldova, dar nu ajunge deputat.
În decembrie 2017, după demisia Oxanei Domenti, urma să ajungă totuși deputat, dar renunță în favoarea funcției de șef al Serviciului de Informații și Securitate (SIS). Se va reține la SIS doar două luni, după care își dă demisia în favoarea fotoliului de președinte al Comisiei de Control a Fișierelor din cadrul Interpol, funcție în care a fost ales în martie 2017.
