Era costume de seu pai, José Manoel dos Santos Pereira Júnior, agregar o nome da cidade natal ao de cada um dos oito filhos. Estuda medicina no Rio de Janeiro e se especializa em pesquisa clínica em Paris. Vai para São Paulo em 1892 e, três anos depois, instala-se em Botucatu, no interior paulista, como médico clínico. Após atender a vários casos de envenenamento ofídico, decide pesquisar o tema.
Dois anos depois trabalha no Instituto Bacteriológico de São Paulo, sob a direção de Adolfo Lutz, no preparo dos primeiros soros eficientes contra a picada de cobras peçonhentas, como a cascavel e a jararaca. Em 1899, por sugestão de Lutz, o governo do estado cria o Instituto Soroterápico e chama Vital Brazil para chefiá-lo. Essa é a origem do atual Instituto Butantã, estabelecido oficialmente em 1901.
Em 1919, o próprio médico funda o Instituto Vital Brazil em Niterói, no Rio de Janeiro. Escreve três obras fundamentais: Contribuição para o Estudo do Envenenamento Ofídico (1901), um catálogo com a descrição das principais espécies venenosas brasileiras; Tratamento do Ofidismo (1903); e O Ofidismo no Brasil (1906), até hoje um importante manual sobre o assunto. Morre no Rio de Janeiro.