La prima chiesa del luogo, titolata a San Lorenzo, fu costruita sulla collina in connessione all’edificio del primo castello. In seguito una nuova chiesa fu costruita in piano e dedicata a San Vitale. L’intitolazione al santo caro ai monaci benedettini suggerisce l’origine medioevale della chiesa, accompagnando con coerenza l’etimologia del nome Castelnovo e suggerendo i probabili autori dell’originaria fondazione dell’edificio religioso.

È documentata dal 1262, assieme alla chiesa di San Lorenzo, nella funzione di cappella ancora dipendente dall’impianto della pieve di Isola. Il percorso di autonomia dalla matrice pievana di San Pietro di Isola la identificò come la parrocchiale di Castelnovo, sorpassando d’importanza, nella funzione giuridica e religiosa, quella dedicata a San Lorenzo sulla collina. La cura parrocchiale si estendeva al territorio di Castelnovo e si allargava a comprendere anche il collinare territorio amministrativo di Ignago.

Nel corso del Seicento, nel rinnovo dell’organizzazione ecclesiastica diocesana, divenne sede di Vicariato Foraneo. Così il titolare della parrocchia assunse il titolo di arciprete.

Nel 1940 e 1942 la cura fu suddivisa, permettendo l’autonomia parrocchiale della chiesa di San Leonardo di Ignago con riferimento alla zona dell’alta collina.

Nel 2006 la parrocchia di San Vitale di Castelnovo fu incardinata, assieme alla parrocchia di San Leonardo di Ignago, nell’Unità Pastorale Castelnovo-Ignago. Nel 2016 la parrocchia di San Vitale di Castelnovo fu incardinata nell’Unità Pastorale Castelnovo-Ignago-Isola Vicentina-Torreselle.