Gimimo data pagal naująjį kalendorių – 1881 m. gegužės 11 d.

Tėvai: Stanislovas Feliksas Didžiulis (1856–1927) – bibliografas, švietėjas, ir Liudvika Nitaitė-Didžiulienė-Žmona (1856–1925) – rašytoja. Augo aštuonių vaikų šeimoje. Broliai ir seserys: Ona Didžiulytė-Sketerienė (1878–1960) – akušerė, Emilija Didžiulytė (1879–1962) – šeimos globotinė po vaikystės traumos, Vanda Didžiulytė-Albrechtienė (1881–1941, sesuo dvynė) – gydytoja ir rašytoja, Antanas Didžiulis (1883–1960) – gydytojas, Michalina Didžiulytė-Ševeliovienė (1884–1973) – pedagogė, gydytoja, knygnešė, Algirdas Severinas Didžiulis (1887–1916) – spaustuvininkas, kariškis, Aldona Didžiulytė-Kazanavičienė (1888–1968) – pedagogė ir rašytoja. Dar vienas brolis Stanislovas Didžiulis (1886–1893) mirė vaikystėje.

1881 m. birželio 16 d. Andrioniškio bažnyčioje Vytauto Petro vardais jį pakrikštijo šios bažnyčios kuratas, Anykščių parapijos kunigas filialistas Pranciškus Šadzevičius, krikštatėviai buvo Utenos dekanas Kupiškio klebonas Kleopas Kozmianas ir Bogumila Sagatauskienė, Konstantino Sagatausko žmona.

Vaikystėje tėvų pamokytas, pradėjo skaityti lietuviškai, lenkiškai ir rusiškai. Kartu jis buvo įtrauktas ir į knygnešystės veiklą: talkindamas vyresniosioms seserims, jis skirstė laikraščius ir knygas, vaikiška ranka užrašinėjo draudžiamų lietuviškų leidinių siuntoms adresus. 1892 m. kartu su tėvais ir seserimi Aldona jis dalyvavo varpininkų suvažiavime Auksučiuose (Šiaulių r.), pas Šliūpus.

1896 m. kartu su motina L. Didžiuliene, broliais ir seserimis V. Didžiulis išvyko į Mintaują (Latvija) ir įstojo į Mintaujos vokiečių (barono Livono) mokyklos VI klasę. Čia 1898–1899 m. jis priklausė slaptai "Kūdikio" draugijai. Mokydamasis jis domėjosi socialdemokratine spauda, pats platino "Darbininkų balsą" ir kitus leidinius.

1902–1903 m. V. Didžiulis tarnavo savanoriu carinės Rusijos kariuomenėje 115 Viazmos pulke Rygoje (Latvija), 1903–1905 m. mokėsi Vilniaus junkerių (karo) mokykloje.

1905 m. jis trumpai kalėjo Ukmergėje, Vilniuje ir Kaune už "socialistišką pamokslą", pasakytą Kurkliuose (Anykščių r.), bet didelėmis artimųjų pastangomis, atvedus 50 liudininkų ir įrodžius, kad kalbėjo kitas asmuo, buvo karo teismo išteisintas ir paleistas.

1906–1907 m. V. Didžiulis toliau tarnavo tame pačiame Viazmos pulke Rygoje bei Novotoržoko pulke Mintaujoje.

1909 m. Sankt Peterburge (Rusija) išlaikęs brandos egzaminus jis įstojo į Sankt Peterburgo universiteto Gamtos ir matematikos fakultetą, 1909–1914 m. ten studijavo biologiją. Tuo metu jis dalyvavo ir lietuvių studentų draugijos veikloje, 1911–1912 m. metus buvo šios draugijos pirmininkas, vaidino studentų spektakliuose.

Baigiantis studijas V. Didžiulis, grįžęs į tėviškę, 1914 m. Ukmergėje buvo mobilizuotas į carinės Rusijos kariuomenę, bet kartu su kitais studentais nuo mobilizacijos netrukus laikinai atleistas. Vokiečių okupacijos metais jis su šeima grįžo į gimtinę ir prižiūrėjo ištuštėjusį Griežionėlių dvarelį, talkindamas vietiniams valstiečiams, skriaudžiamiems okupacinės valdžios. 1915–1918 m. jis parašė apie 200 skundų dėl rekvizicijų, plėšimų ir kitokių skriaudų, daug problemų, jam tarpininkaujant, kaimų žmonėms pavyko išspręsti.

1917 m. V. Didžiulis dalyvavo Lietuvių Vilniaus konferencijoje. 1917–1918 m. jis organizavo Kupiškio trijų klasių progimnaziją ir jai vadovavo, kol buvo vokiečių valdžios nušalintas kaip nepatikimas.

Vokiečiams traukiantis iš Lietuvos, 1918 m. jis buvo išrinktas Viešintų valsčiaus, paskui Kupiškio apskrities tarybos ir valdybos nariu, bet šį kraštą užėmus Raudonajai armijai, pasitraukė į Griežionėles.

1919 m. V. Didžiulis buvo išrinktas Panevėžio savivaldybės tarybos nariu. Paskirtas 1919 m. liepos 1 d., iki 1919 m. gruodžio 2 d. jis dirbo Panevėžio apygardos darbo ir socialinės apsaugos inspektoriumi. 1920–1921 m. jis dažnai keitė darbovietes: trumpai buvo Valstybės kontrolės Krašto apsaugos departamento sekretorius Kaune, paskui nuo 1920 m. liepos 16 d. iki 1921 m. rugsėjo 1 d. Valstybės kontrolės I divizijos revizorius Ukmergėje ir Valstybės kontrolės atstovas prie generalinio Lietuvos įgaliotinio Vilniuje. Paskirtas 1921 m. rugsėjo 1 d., 1921–1922 m. jis buvo Rokiškio gimnazijos direktorius, kol 1922 m. liepos 15 d. buvo atleistas.

1923–1944 m. V. Didžiulis gyveno ir dirbo Biržuose. Paskirtas 1923 m. spalio 1 d., 1923–1944 m. jis buvo Biržų gimnazijos gamtos ir chemijos mokytojas, kiek laiko dirbo Biržų gimnazijos direktoriumi. Biržuose V. Didžiulis buvo vienas iš hidrometeorologinių stebėjimų pradininkų Šiaurės Lietuvoje, Biržų meteorologinės stoties steigėjas ir vadovas.

1924–1931 m. jis taip pat buvo išrinktas Biržų miesto tarybos pirmininku, nuo 1923 m. buvo Lietuvos profesinės sąjungos Biržų skyriaus pirmininkas.

Mirus tėvams, V. Didžiulis rūpinosi jų sukauptų knygų išsaugojimu ir perdavimu bibliotekoms.

1944 m. vasarą, kai Biržus nusiaubė Antrojo pasaulinio karo frontas ir buvo sugriauti Didžiulių namai, jis grįžo į tėviškę ir apsigyveno Griežionėlėse. Paskirtas 1944 m. spalio 1 d., V. Didžiulis atkūrė Viešintų (Anykščių r.) progimnazijos veiklą, subūrė kolektyvą ir 1944–1951 m. (po įstaigos pertvarkymo 1949 m. – Viešintų septynmetėje mokykloje) dirbo direktoriumi ir mokytoju, kol pablogėjus sveikatai 1951 m. liepos 1 d. pedagoginę veiklą nutraukė.

Nuo 1952 m. senatvę jis praleido Biržuose, gyvendamas prie žmonos giminių ir sunkiai sirgdamas.

V. Didžiulis bendradarbiavo leidiniuose "Naujoji gadynė", "Aušrinė" (1913–1914 m.), "Darbo balsas" (1917–1918 m.), "Mokykla ir gyvenimas" (1924–1929 m.), "Socialdemokratas" (1924–1929 m.), "Biržų žinios" (1924–1926 m.).

Vedė 1912 m. spalio 1 d., žmona Margarita Gaigalytė-Didžiulienė – tarnautoja, medikė. Išsiskyrė po 1921 m. Sūnus Stasys Didžiulis (1914–1992) – mokslininkas inžinierius chemikas, emigrantas Australijoje.

Vėl vedė apie 1929 m., žmona Elena Vanagaitė-Didžiulienė (1893–1976) – administracijos tarnautoja. Sūnus Leonas Didžiulis (1929–2011) – gydytojas chirurgas, vadovas.

Mirė 1956 m. rugsėjo 7 d. Biržuose. Palaidotas Padvarninkų (Anykščių r.) kapinėse šeimos kape. Kapą ženklina pilkai rusvo granito paminklas-stela su iškaltu įrašu: "Didžiuliai / Elena 1893–1976 / Vytautas 1881–1956".