La chiesa di S. Vitalia, dedicata alla martire venerata in diversi centri del Campidano, venne ricostruita, grazie a donazioni della popolazione, alla fine dell'Ottocento, non lontano dal luogo ove anticamente sorgeva una precedente chiesa, interdetta a causa delle sue precarie condizioni nel 1888.
Il terreno su cui sorgeva l'antica chiesa apparteneva a privati, che furono ben contenti di poter disporre nuovamente di quei terreni dopo il crollo dell'edificio religioso. Si pensò quindi di costruire un nuovo edificio, grazie anche all'offerta di un nuovo terreno da parte di una persona facoltosa di cui non si conosce il nome. Tale lascito venne fatto senza nessun vincolo, in modo da evitare le difficoltà incontrate con la prima costruzione.
I lavori di costruzione della nuova chiesa iniziarono nel 1894 e terminarono probabilmente nel 1895, come testimoniato dall'inventario fatto compilare dal vescovo nel 1902. Per la costruzione dell'edificio sono stati utilizzati materiali provenienti dalla vecchia chiesa, ormai distrutta, e dall'antica chiesa di Santa Sofia, come due pezzi di colonna collocati nel muro e sotto il tabernacolo e l'architrave, attualmente utilizzato come altare maggiore. L'edificio è stato oggetto, negli anni ottanta, di intensi lavori di restauro, durante i quali è stata messa in luce una pietra squadrata, sita all'esterno in basso sulla sinistra, sulla quale sono riportate delle scritte di cui purtroppo non si conosce il significato.
La chiesa di Santa Vitalia, sita nella periferia del paese, è sede della festa più importante di Villasor, che si tiene annualmente il secondo lunedi di ottobre, e durante la quale molti fedeli, anche non locali, si raccolgono per onorare la Santa. In passato, in occasione della festa si teneva un'importante fiera, alla quale partecipavano produttori e commercianti di tutta la zona per la compravendita di bestiame.