Cha của Vitali Klitschko là Vladimir Klitschko Rodionovich (1947-2011), một tùy viên quân sự của Liên Xô ở Đông Đức. Ông cũng là một trong những chỉ huy trong công cuộc dọn dẹp thảm họa hạt nhân Chernobyl vào năm 1986. Mẹ của Vitali Klitschko là Nadezhda Ulyanovna[22].

Klitschko kết hôn với Natalia Egorova, một vận động viên và là cựu người mẫu. Họ gặp nhau ở Kiev và đã kết hôn vào ngày 26 tháng 4 năm 1996. Ông có ba người con, Yegor-Daniel, Elizabeth, Victoria và Max[23][24].Năm 1996, ông tốt nghiệp Học viện Sư phạm Pereyaslav-Khmelnytsky (Ukraine) và đã được chấp nhận vào chương trình nghiên cứu sau đại học tại Đại học Quốc gia Taras Shevchenko của Kiev. Ngày 29 tháng 2 năm 2000, ông đã trình bày luận án tiến sĩ của ông về "tài năng và tài trợ trong thể thao" tại "Đại học Khoa học Thể dục Thể thao Kiev" và được trao bằng tiến sĩ[25].

Người em trai của ông, Wladimir Klitschko, cũng là một nhà vô địch quyền Anh chuyên nghiệp có bằng tiến sĩ.[26] Hai anh em cũng đều là kỳ thủ cờ vua. Vitali có người bạn thân là cựu vô địch cờ vua thế giới Vladimir Kramnik. Ông nhận xét rằng "cờ vua cũng tương tự như boxing. Bạn cần phải xây dựng chiến lược, và bạn cần phải suy nghĩ hai hoặc ba bước về phía trước về những gì đối thủ của bạn đang làm. Bạn phải thông minh. Nhưng sự khác biệt giữa cờ vua và quyền Anh là gì? Trong cờ vua, không ai là một chuyên gia, nhưng tất cả mọi người chơi. Trong đấm bốc tất cả mọi người là một chuyên gia, nhưng không ai chiến đấu "[27].Vitali và anh trai của ông cũng đã được tham gia vào các hoạt động từ thiện dành riêng để hỗ trợ các nhu cầu của các trường học, nhà thờ và trẻ em. Năm 2002, anh em nhà Klitschko thông báo rằng họ đã đồng ý làm việc cho UNESCO.