W dniach 1–19 czerwca 1970 roku razem z Andrijanem Nikołajewem brał udział w locie statku kosmicznego Sojuz 9. Kosmonauci znajdowali się na orbicie przez blisko 18 dni. Był to wówczas rekordowy, jeśli chodzi o czas trwania, lot załogowy. Po powrocie na Ziemię obaj członkowie załogi mieli duże problemy z adaptacją do warunków ciążenia ziemskiego[1].
Od 24 maja do 26 lipca 1977 roku był razem z Piotrem Klimukiem członkiem załogi Sojuza 18. Kosmonauci po połączeniu swojego statku z załogową stacją kosmicznąSalut 4 spędzili na jej pokładzie blisko 62 dni, prowadząc liczne badania i eksperymenty.
W sumie podczas obu misji Witalij Siewastjanow spędził w kosmosie 80 dni 16 godzin 19 minut i 3 sekundy.
Z zamiłowania był szachistą. W 1985 roku otrzymał tytuł sędziego klasy międzynarodowej. W latach 1977–1986 i 1988–1989 pełnił funkcję prezesa Federacji Szachowej Związku Radzieckiego. W czasie pierwszego lotu kosmicznego w 1970 roku rozegrał pierwszą w historii szachów partię „Kosmos”–„Ziemia”[2].