Виталий Сергеевич Поленов родился 26 января 1901 года в Костроме в семье служащих.
В Гражданскую войну В. С. Поленов в октябре 1918 года был призван в РККА и направлен на учебу на Костромские курсы красных командиров РККА. По завершении обучения в марте 1919 года его назначили в 276-й стрелковый полк 31-й стрелковой дивизии, где он выполнял обязанности адъютанта батальона и коменданта полка. Дивизия входила в Туркестанскую армию, а с июня оказалась в составе 5-й армии Восточного фронта, участвуя в боях против войск адмирала А. В. Колчака под Бузулуком, Белебеем и Уфой. Летом дивизия была переброшена на Южный фронт, где принимала участие в сражениях с деникинскими войсками в составе 8-й армии.
С начала марта 1920 года В. С. Поленов командовал взводом в 110-м стрелковом полку 13-й стрелковой дивизии, а с июня служил в 143-м стрелковом полку этой же дивизии. В ходе боев он был взят в плен, но смог бежать через три дня. Летом 1920 года вместе с 16-й стрелковой дивизией он направился на Западный фронт и участвовал в борьбе с польскими войсками на направлениях полоцком, островском и минском.
В марте 1921 года его отправили на повторные командные курсы, после чего он продолжил службу в дивизии, сначала как помощник командира, а затем как командир роты 142-го стрелкового полка. С января 1923 года он был переведен на должность помощника командира роты в 5-й отдельный пограничный батальон войск ВЧК. С мая по ноябрь 1923 года он проходил обучение на Высших командных курсах ОГПУ. Затем он служил командиром роты и начальником заставы в 11-м пограничном батальоне ОГПУ Белорусского округа.
С июня 1925 года В. С. Поленов был помощником коменданта 16-го пограничного отряда войск ОГПУ, а с июня 1929 года он занимал пост старшего инструктора по строевой подготовке 13-го пограничного отряда ОГПУ. С марта 1930 года он стал начальником маневренной группы 12-го Бигосовского пограничного отряда. С ноября 1930 года по июнь 1931 года он прошел переподготовку на курсах «Выстрел». В декабре 1931 года его назначили помощником начальника 12-го Биговского пограничного отряда по строевой части.
С сентября 1935 года В. С. Поленов был начальником штаба 16-го пограничного отряда войск НКВД Белорусского округа. В марте 1938 года его перевели в Казахский округ, где он служил начальником 49-го кавалерийского пограничного отряда, а с марта 1939 года — начальником 50-го пограничного отряда войск НКВД. В декабре того же года он стал начальником 71-го пограничного отряда.
С началом Великой Отечественной войны в июле 1941 года полковник В. С. Поленов был назначен командиром 247-й стрелковой дивизии, сформированной в Муроме. С 17 июля дивизия была направлена в район Ржева с задачей занять участок обороны от Б. Коша до Оленино. С 22 июля до конца сентября она производила инженерные работы, занималась боевой подготовкой. 5 октября на ее базе в составе Западного фронта создана оперативная группа войск под командованием генерал-майора В. С. Поленова, которая была переброшена в район г. Сычевка с задачей не допустить прорыва вражеских войск на Ржев и Волоколамск. 7 октября оперативная группа остановила передовые отряды 3-й немецкой танковой группы, прорвавшиеся к с. Андреевское, нанесла им большой урон и решительной контратакой отбросила противника на 5-8 км. Затем ее части в течение трех суток сдерживали наступление противника юго-западнее Сычевки на рубеже Журавлево, Б. Яковлево, Ивашково. 27 ноября В. С. Поленов принял командование 243-й стрелковой дивизией, которая в составе 29-й армии Калининского фронта участвовала в Калининской наступательной операции и отличилась при освобождении Калинина.
В январе 1942 года этот человек был назначен заместителем командующего 29-й армией, которая в тот момент действовала на ржевском направлении. Армия вела боевые действия фактически в окружении до марта 1942 года. После успешного выхода из окружения, генерал-лейтенант В. С. Поленов 9 апреля 1942 года был назначен командующим 31-й армией Калининского фронта.
27 февраля 1943 года его перевели на должность командующего 5-й армией Западного фронта. Его войска принимали активное участие в Ржевско-Вяземской наступательной операции 1943 года и освобождении городов Гжатска и Вязьмы. В августе 1943 года армия участвовала в Смоленской операции и освобождении Смоленска. В октябре 1943 года его назначили командующим 47-й армией, полевое управление которой вместе с армейскими частями находилось в резерве Ставки ВГК в районе города Козелец (северо-восточнее Киева).
20 января 1944 года армия вошла в состав 1-го Украинского фронта, а 25 февраля — 2-го Белорусского фронта. Приняв в свой состав 77-й и 125-й стрелковые корпуса, 397-ю стрелковую дивизию и ряд отдельных частей, армия вела оборонительные бои на рубеже Ямны и Домбровица, а в конце марта начала наступление на ковельском направлении. С июня 1944 года генерал-лейтенант В. С. Поленов находился в распоряжении ГУК НКО СССР. С 30 августа 1944 года и до конца войны он командовал 108-м стрелковым корпусом, который входил в состав 2-й ударной армии Ленинградского фронта, а с октября 1944 года — 2-го Белорусского фронта.
Под его командованием корпус успешно действовал в Таллинской, Млавско-Эльбингской, Восточно-Померанской и Берлинской наступательных операциях. Войска корпуса 17 раз отмечались в приказах Верховного Главнокомандующего. После войны он продолжал командовать этим корпусом. В феврале 1946 года его перевели в Северо-Кавказский военный округ на должность командира 6-го стрелкового корпуса. С марта 1947 года он был слушателем Высшей военной академии при имени К. Е. Ворошилова. По окончании ускоренного курса в июне 1948 года его назначили заместителем командующего войсками Туркестанского военного округа по строевой части.
С июля 1954 года он исполнял обязанности заместителя командующего войсками и начальника отдела боевой подготовки Воронежского военного округа. 2 октября 1958 года его уволили в запас.
Награжден 2 орденами Ленина, 5 орденами Красного Знамени, орденами Суворова 1-й ст., Кутузова 1-й ст., Суворова 2-й ст., медалями, а также иностранными орденами.
Умер 8 июля 1968 года в Воронеже. Похоронен на Коминтерновском кладбище Воронежа.
