Фамилия Виталисов — редкий случай, когда русская фамилия образована не от имени, а напрямую от латинского корня. В её основе лежит слово vitalis, что значит «жизненный, живительный». В римской традиции это было личное имя Vitalis (Виталий), которое давали в честь здоровья или жизненной силы. Однако фамилия Виталисов не пошла по распространённому пути Виталиев или Виталиных — она использует суффикс -ов, типичный для русских фамилий, но при этом сохраняет полную форму корня без усечения.

Самый правдоподобный сценарий происхождения — семинарский. В XVIII–XIX веках в духовных училищах и семинариях было принято давать будущим священникам «искусственные» фамилии на латинской основе. Например, от имени Виталий (в латинской записи Vitalis) легко получалась фамилия Виталисов — как вариант, указывающий на происхождение от носителя этого имени, либо как дань церковной традиции. Такие фамилии нередко закреплялись за выпускниками, которые затем служили в разных губерниях.

Менее вероятна, но возможна версия, что фамилия образована от прозвища Виталис — так могли назвать человека за бодрость или долголетие. Однако в русской крестьянской среде такие латинизмы были редкостью, и фамилия, скорее всего, оставалась уделом образованного сословия — духовенства или, реже, мещанства.

Географически фамилия Виталисов встречается точечно, преимущественно в центральных и южных регионах России, но никогда не была массовой. Её уникальность в том, что она обошла стороной привычные модели: нет формы Виталиев (от церковнославянского Виталий) или Виталищев (от уменьшительного). Суффикс -ов здесь работает как прямой патроним, но с латинским, а не с русским именем в основе.