Виталий Губарев родился в Ростове-на-Дону, Область Войска Донского Российской империи (ныне Ростовская область России). Его отец, Георгий Витальевич Губарев, был донским казаком, потомственным дворянином; он принимал участие в Гражданской войне на Дону в составе Донского 6-го казачьего полка и 2-й Сводной казачьей дивизии, в 1920 году эмигрировал в Польшу, а в 1951 — в США, где опубликовал десятки очерков по казачьей истории.
Мать, Антонина Павловна, была дочерью священника, одна воспитала Виталия и его младшего брата Игоря (впоследствии лётчика). Детство писателя прошло на хуторе Большая Козинка, где его бабушка заведовала начальной школой. Там он окончил девять классов средней школы.
Виталий Губарев начал печататься в 14 лет, когда в ростовском журнале «Горн» был опубликован его первый рассказ «Гнилое дерево».
С 1931 года работал в Москве, в журнале «Дружные ребята», затем в газетах «Пионерская правда», «Комсомольская правда». На протяжении ряда лет был главным редактором «Пионерской правды». Кроме того, преподавал в Институте детского коммунистического движения и заведовал кафедрой пионерской работы в Центральной комсомольской школе.
Как журналист он получил известность после освещения им убийства Павлика Морозова, был одним из создателей его легенды. В 1933 году Губарев написал об этих событиях книгу «Один из одиннадцати», позже переработанную в повесть «Павлик Морозов» и одноимённую пьесу, которые впоследствии часто переиздавались в Советском Союзе и за рубежом. Примечательно, что различные варианты его книги сильно различаются по изложению событий как друг от друга (разное количество и содержание глав), так и от пьесы.
Как писатель-фантаст Виталий Губарев дебютировал в 1951 году повестью-сказкой «Королевство кривых зеркал». Через год им была создана одноимённая пьеса, а в 1963 году по книге был поставлен одноимённый кинофильм, пользовавшийся большой популярностью. Известны также его фантастические сказки «Путешествие на Утреннюю звезду», «В тридевятом царстве», «Преданье старины глубокой».
Создал также ряд повестей о подростках, запечатлевших обстановку определённых периодов советской жизни (начало войны, хрущёвскую «оттепель»), подпольную борьбу с гитлеровцами, остракизм стиляг и тунеядцев.
Несмотря на то, что герои Губарева порой напоминают взрослых в своей разумности и удивляют современников пионерской непримиримостью, стремлением всё изменить по-своему, произведения любимы многими поколениями детей.