Vitray Tamás 1932. november 5-én született Budapesten. A Kölcsey Ferenc Gimnáziumban érettségizett 1952-ben. Az Idegen Nyelvek Főiskolájának angol sajtó szakán 1955-ben végzett, majd egy évig fordító volt a Honvédelmi Minisztériumban. Újságírói pályafutását 1957-ben a Magyar Rádió angol nyelvű adásánál kezdte. 1958-ban azzal kereste meg a Magyar Televízió Sportfőosztálya, hogy vállalja el interjúk készítését a Budapesten vendégszereplő amerikai atlétikai válogatott tagjaival. Azóta legendává vált a történet: a 162 centiméter magas újdonsült riporter a beszélgetés közben tornazsámolyra állt, hogy egy szinten legyen a tízpróba világcsúcstartójával, a 198 centis Rafer Johnsonnal.
Több sikeres riport után egy évig külsőzött a tévének, 1959. december 1-jén lett a Magyar Rádió és Televízió televíziós főosztálya agitációs és propagandaosztályán a sportrovat belső munkatársa. Közben a Testnevelési Főiskolán tanult, 1963-ban sportszervezői oklevelet szerzett.
Először 1960 januárjában Prágából közvetítette a Csehszlovákia-Kanada profi jégkorong-mérkőzést. Vitray számára a sportkommentátori sikert és elismertséget, valamint a nézők rokonszenvét az ugyanebben az évben Garmisch-Partenkirchenben megrendezett Műkorcsolya Európa-bajnokság ötnapos közvetítése hozta meg.
1968-ban főmunkatárssá nevezték ki, de sportközvetítéseken kívül vetélkedőket is vezetett, sőt 1970-ben, a meginduló Hét című politkai magazin első számának is ő volt a műsorvezetője. 1975-ben lett a Szórakoztató- és Zenei Főosztály vezetője, 1981-ben a Drámai Főszerkesztőség osztályvezetője. 1988-ban kinevezték a Sportszerkesztőség élére, ahonnan rövid időre eltávozott, amikor az MTV2 intendánsa lett. 1997-ben nyugdíjba ment.
1999-től a Danubius Rádióban vezetett telefonos beszélgetőműsort Ötfülközt címmel, 1999-2000-ben az Magyar Televízió Napkelte című műsorát vezette. 2002-től ismét kinevezték a Sportfőszerkesztőség vezetőjévé, 2004-től elnöki főtanácsos volt, de 2009-ben elbocsátották a televízióból. 2002-2003-ban a Színház- és Filmművészeti Egyetem egyetemi tanára volt.
1991-1997 között a Magyar Olimpiai Bizottság elnökségi tagja, 2004-2008 között a Nemzeti Sporttanács elnöke volt. 1985-2006 között a Rák Alapítvány kuratóriumának elnöki tisztét is betöltötte.
Szinte nincs olyan sportág, amelyet ne kommentált volna a televízióban, emlékezetes Telesport-adások, helyszíni közvetítések, nagy világversenyek riportere volt. Összesen huszonegy - téli és nyári - olimpiáról közvetített. A 2004-es athéni volt a 10. nyári játék amelyen az ő közvetítését is hallhattuk. A 2008-as olimpia volt az első, amelyet már nem a Magyar Televízióban közvetített (nem is utazott el a helyszínre), a kajak-kenu versenyek kommentátora volt a Eurosporton, valamint az RTL Klub Híradójában foglalta össze naponta az olimpia eseményeit.
2004-ben a Magyar Televízió örökös tagjává választották. Vitray Tamás a Mensa HungarIQa tagja. 2012. június 1-én a XIII. kerület díszpolgára lett. Emlékezetes, nagysikerű televízió műsorai: 12 szék (1967), Fekete-fehér, igen-nem (1972), Ötszemközt (1973-74), Csak ülök és mesélek (1975-78,majd 1983-1984), Telefere (1985-89), Apád, anyád idejöjjön (1990-91), Töltsön velem egy órát, (korábban "egy estét" 1993-94), Az én olimpiáim (2000).
Több sporttárgyú könyv, illetve riportkötet szerzője: Mexikói mozaik (1969), Amerikai mozaik (1972), Hivatásos sportrajongó (1981), Csak ülök és kérdezek (1990), Morzsabál (2003), Kiképzés (2008). Vetélkedőit, beszélgetős műsorait mindig az igényesség, alaposság és empátia jellemezte. Számos kitüntetés birtokosa: kiváló művész (1987), Pulitzer-életműdíj (1995), a Magyar Köztársasági Érdemrend tisztikeresztje (1996), Aranytoll (2000), a Magyar Köztársasági Érdemrend Középkeresztje (2002), Prima Primissima-díj (2003). 2005-ben Kossuth-díjjal tüntették ki " kivételes minőséget képviselő, a magyar médiában egyedülálló, rendkívül sokoldalú, páratlan és műfajteremtő életművéért".
Felesége Kállai Bori színésznő, fogadott lánya Fonyó Barbara operaénekes. Két fia van első házasságából, Tamás, aki operatőr, rendező és Péter.