В 1962 году Виталий Жолобов прошел медицинское обследование в Центральном военном научно-исследовательском авиационном госпитале и в ноябре получил допуск Центральной врачебно-летной комиссии. 8 января 1963 года на заседании мандатной комиссии был рекомендован к зачислению в отряд космонавтов. Приказом Главкома ВВС №14 от 10 января 1963 года был зачислен в ЦПК в качестве слушателя-космонавта.
С сентября 1966 по 1971 года Виталий Жолобов проходил подготовку по программе «Алмаз» в составе группы космонавтов. 6 июля 1976 года совершил свой космический полет на корабле «Союз-21» вместе с летчиком-космонавтом СССР Борисом Волыновым (позывной «Байкал-1»). На следующий день произошла стыковка с орбитальной станцией «Салют-5». Это была первая экспедиция на орбитальную станцию «Салют-5».
В ходе 49-суточного космического полета была получена научная информация о физических характеристиках атмосферы Земли, проведены исследования, показавшие, как протекают различные физические процессы в условиях невесомости. 24 августа 1976 года космонавты вернулись на Землю.
30 марта 1976 года Виталий Жолобов был назначен космонавтом группы КЛА специального назначения. 25 января 1978 года назначен инструктором-космонавтом, командиром группы слушателей-космонавтов. 7 января 1981 года приказом Главкома ВВС Виталий Жолобов был уволен из Вооруженных Сил и отчислен из отряда космонавтов по состоянию здоровья. Исключен из списков части 31 января 1981 года.
Руководство Госкорпорации “Роскосмос”, Центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина, космонавты, сотрудники ЦПК поздравляют летчика-космонавта СССР, Героя Советского Союза Виталия Михайловича Жолобова с днем рождения и желают крепкого здоровья, долгих и счастливых лет жизни.