Nel 1967 Vittorio Marcelli giunge secondo nella tappa a cronometro del Tour de l'Avenir e s'aggiudica il Giro d'Italia dilettanti, la competizione preolimpica di Città del Messico in linea, la medaglia d'oro nella gara in linea dei Giochi del Mediterraneo, e la medaglia di bronzo nella cronometro a squadre dei mondiali di Heerlen.
Nel 1968 a Città del Messico si disputano le Olimpiadi e l'Italia si presenta con sette forti stradisti, tra cui Marcelli che, considerate le sue qualità da cronoman, viene assegnato alla squadra della cronometro, e non partecipa alla gara in linea, vinta poi dallo strepitoso Pierfranco Vianelli.
La 100 chilometri a cronometro a squadre è una disciplina importante per i colori azzurri, in quanto foriera di medaglie olimpiche, ultime quelle d'argento a Tokio 1964 e d'oro a Roma 1960.
Leggenda vuole che a Marcelli venga raccomandato di non tirare troppo, per non rompere il team azzurro composto da Giovanni Bramucci, Mauro Simonetti e Pierfranco Vianelli, così che all'arrivo ci si debba accontentare della medaglia di bronzo, mentre l'Olanda s'aggiudica l'oro e la Svezia dei quattro leggendari fratelli Pettersson l'argento.
L'atleta marsicano il mese successivo, novembre 1968, riscatta la mezza delusione olimpica laureandosi Campione del Mondo su strada ai mondiali di Montevideo, e conseguendo pure la sua terza medaglia di bronzo nella Cento chilometri a squadre.
Nel 1969, passato al professionismo, il neocampione del mondo viene ingaggiato dalla Sanson, il team capitanato da Gianni Motta, ed ottiene un buon secondo posto, dietro a Felice Gimondi, nel GP a cronometro di Forlì.
Nel 1970 Marcelli viene ingaggiato dalla Salvarani, lo squadrone di Felice Gimondi, Rudy Altig, Franco Balmamion, Dino Zandegù e Wladimiro Panizza, ma, non conseguendo grandi successi (miglior risultato il terzo posto nella tappa a cronometro a squadre della Parigi Nizza) si ritira dalle competizioni.
Anche i capitani dei quartetti a cronometro avversari degli azzurri in Messico passano al professionismo e faranno la storia del ciclismo: lo svedese Gosta Pettersson aggiudicandosi il Giro d'Italia del 1971 e l'olandese Joob Zoetemelk conquistando la Vuelta a Espagna nel 1979, il Tour de France nel 1980 ed il Campionato del Mondo nel 1985, da splendido trentanovenne.