Ordinato sacerdote nel 1860, fu professore di diritto canonico e civile all'Apolinare e di Teologia dogmatica al Seminario Vaticano. Nel 1864 partì per il Messico come dittore del nunzio Meglia ed assistette a tutti gli avvenimenti che originarono la caduta di quell'Impero, facendo ritorno a Roma dopo la fucilazione di Massimiliano (1867).
Inviato come uditore a Monaco di Baviera, il 25 giugno 1869 fu eletto arcivescovo titolare di Nicea e delegato apostolico nel Perù, Equatore, Nuova Granata, Venezuela, Costarica, El Salvador e Honduras. Trasferito nel Belgio (1875), si trovò a fronteggiare la pretese laicistiche del governo liberale presieduto dal Frère Orban che culminarono con l'approvazione della legge presentata dal Ministro della pubblica istruzione Van Hum
VANNUTELLI, Vincenzo - Ritratto, dipinto a olio di Scipione Bonichi (1930) - Roma, Galleria d'Arte Moderna.
beech per l'abolizione dell'insegnamento religioso nelle scuole (1879). Il nunzio in tale circostanza dimostrò fermezza e coraggio e nella lotta intrapresa fu guida sicura di tutto l'episcopato. Le aspre contese suscitate dall'approvazione di tale legge determinarono la rottura delle relazioni diplomatiche ed il richiamo del Nunzio a Roma. Trasferito nel 1880 a Vienna, continuò la paziente opera intrapresa dal suo predecessore Ludovico Jacobini e collaborò attivamente all'opera di riavvicinamento della Germania alla S. Sede.
Il 24 marzo 1887 fu da Leone XIII creato cardinale ed ebbe successivamente le cariche di segretario dei Memoriali (1891) e di prefetto delle Congregazioni dell'Indice (1893) e dei Vescovi e Regolari (1896). Nel 1893 fu eletto arcivescovo di Bologna ma non raggiunse la sede, avendo optato per quella suburbicaria di Frascati. Penitenziere maggiore (1899) e segretario della Congregazione del S. Uffizio (dal 1902 al 1908), vescovo di Porto e S. Rufina e sottodecano del S. Collegio (1903), vescovo di Ostia (1913) e decano.