В 1956 году В. В. Катаева, ещё аспиранта, пригласили занять пост главного дирижёра Симфонического оркестра Карельского радио (Петрозаводск). По окончании аспирантуры (1959) работал дирижёром и педагогом Оперной студии Ленинградской консерватории. С 1960 возглавляет кафедру оперной подготовки ГМПИ им. Гнесиных, совмещая педагогическую работу с концертной деятельностью в Москве.
В 1962 В. В. Катаев принимает приглашение занять пост художественного руководителя и главного дирижёра Государственного академического симфонического оркестра Белорусской ССР (г. Минск). По его инициативе в 1966 в Белорусской государственной консерватории создаётся кафедра оперно-симфонического дирижирования, которую он возглавляет до 1968 г.
В 1972-1974 гг. - художественный руководитель и главный дирижёр Государственного духового оркестра России, в 1976 приглашается на пост художественного руководителя и главного дирижёра Ленинградского Малого театра оперы и балета им. М. П. Мусоргского, где работает в течение полутора лет, но по идеологическим причинам не утверждается на этой должности Ленинградским обкомом КПСС.
Виталий Витальевич Катаев скончался 12 марта 1999 года. Похоронен в Москве на Пятницком кладбище.
В. В. Катаев в своей исполнительской деятельности всегда искал новые пути. В 1963 он исполнил в Минске 13-ю симфонию Д. Д. Шостаковича – вскоре после московской (мировой) премьеры, вызвавшей острую реакцию официального советского руководства. Многие его концерты и гастрольные выступления ломали советские стереотипы восприятия современной западной музыки. Смелость, необходимая для исполнения сочинений некоторых советских и современных западных авторов, рождалась из ясного понимания своей художественной цели. Эта артистическая бескомпромиссность и отказ вступить в КПСС сказались в дальнейшем на карьере В. В. Катаева, лишив его многих возможностей и более высокого положения в официальной музыкальной иерархии страны, однако талант, сильный характер и огромная работоспособность позволяли ему достигать поставленных перед собой творческих целей.
В. В. Катаев работал с оркестрами Москвы, Санкт-Петербурга, Минска, многих других городов СССР, а также в Великобритании, Германии, Франции, Норвегии, Финляндии, Болгарии, Венгрии, Югославии, Румынии и Турции. Вместе с ним на сцене выступали С. Т. Рихтер, Д. Ф. Ойстрах, Э. Г. Гилельс, Я. В. Флиер, М. Л. Ростропович, Л. Б. Коган, И. Менухин, Дж. Огдон, М. Фрагер, П.-Л. Эмар, В. В. Третьяков, Г. Л. Соколов, Д. Б. Шафран, А. Б. Любимов, В. В. Крайнев, Р. Р. Керер, Т. П. Николаева, О. М. Каган, Н. Г. Гутман, Н. Н. Шаховская, А. Чикколини, И. А. Монигетти, М. Усиода и многие другие музыканты.
В концертах В. В. Катаева исполнялись реквиемы В. А. Моцарта, Дж. Верди, Г. Берлиоза, «Военный реквием» Б. Бриттена, «Страсти» И.С.Баха, симфонии и концерты Л. ван Бетховена, П. И. Чайковского, Ф. Шуберта, И. Брамса, А. Дворжака, Ф. Мендельсона, С. В. Рахманинова, П. Хиндемита, Д. Д. Шостаковича, С. С. Прокофьева, «Песнь о Земле» и симфонии Г. Малера, симфонические поэмы Р. Штрауса, сюиты и симфонии И. Ф. Стравинского, «Симфонические танцы» К. Штокхаузена, «История доктора Иоганна Фауста» и симфонии А. Г. Шнитке.
Большое внимание В. В. Катаев уделял оперному театру, где сумел выразить себя не только как музыкальный руководитель и дирижёр, но и как режиссёр, поставив несколько спектаклей. Обладая острым драматическим чутьём, он внёс свой вклад в попытки разрешить традиционное для оперы противоречие между пением и драматическим действием на сцене. Режиссурой начал заниматься ещё в пятидесятые годы в Оперной студии Ленинградской консерватории, одновременно являясь и дирижёром спектаклей. Дирижерско-режиссерскими постановсками В. В. Катаева были оперы «Умница» К. Орфа, «Нежность» В. С. Губаренко, «Человеческий голос» Ф. Пуленка, «Моцарт и Сальери» Н. А. Римского-Корсакова (Калининградский музыкальный театр, 1998), «Свадьба Фигаро» В. А. Моцарта (Оперная студия Московской консерватории, 1980, Cофийская консерватория, 1987). Его последней режиссёрской работой стала постановка этой оперы в начале 1999 в Петрозаводске с участием Карельской государственной филармонии, Симфонического оркестра филармонии, Петрозаводской консерватории и Государственного музыкального театра Карелии (после смерти В. В. Катаева премьеру провел его ученик, дирижёр С. Д. Дяченко). В его репертуаре было более 30 опер В. А. Моцарта, Дж. Россини, Дж. Верди, П. Чайковского, Н. Римского-Корсакова, Ж. Бизе, К. Вебера, Ш. Гуно и других авторов.
Продолжая активную концертную деятельность, В.В. Катаев преподавал на кафедрах оперно-симфонического дирижирования и оперной подготовки Белорусской и Московской консерваторий, став воспитателем нового поколения певцов и дирижёров. Педагогический талант, профессиональная убедительность, огромная эрудиция, человеческая отзывчивость, обаяние и и блистательное чувство юмора помогали ему устанавливать тесный психологический контакт со студентами, добиваться от молодых исполнителей точного выражения необходимых ему музыкальных идей и эмоций.
Среди учеников В.В. Катаева – дирижёры Ф. Кадена, С. Дяченко, М. Грановский, М. Козинец, С.Кофанов, З.Шатило, И.Жусс, Г.Бургонь, Ф.Каруи, В.Пул, П.Рофэ, Ж.-Ф.Нажарро, Ж.Нопр; певцы А.Агади, В.Байков, В.Богачёв, А.Виноградов, С.Гайдей, Х.Герзмава, О.Гурякова, В.Дубовской, Н.Загоринская, А.Кочинян, М.Светлов (Крутиков), В.Мякотин, Л.Салей, Б.Стаценко, Е.Сон, В.Чернов. Вспоминает Любовь Казарновская: