Nach Schulbesuch und naturwissenschaftlichem Studium in Berlin arbeitete er ab 1919 in der Dokumentarfilmabteilung der Decla, später bei der Ufa, und erlernte nebenbei die Arbeit des Kameramanns. Ab 1924 war er als Spielfilmkameramann tätig. Seine spezifischen Erfahrungen bei der Dokumentarfilmproduktion und der Herstellung von tricktechnischen Filmaufnahmen ließen ihn einen eigenen Stil des filmischen Sehens entwickeln. Gemeinsam mit Carl Hoffmann und Walter Ruttmann fotografierte er 1924 Fritz Langs Zweiteiler Die Nibelungen und war dabei hauptsächlich für Trickaufnahmen verantwortlich. Lang engagierte ihn auch für seinen folgenden Film Metropolis, wo er mit Karl Freund und Eugen Schüfftan, aber auch mit den Szenenbildnern Otto Hunte, Erich Kettelhut und Karl Vollbrecht die technische Seites dieses heutigen Filmklassikers betreute.
Für Joe May stand er bei Heimkehr (1928) und Asphalt (1929) hinter der Kamera. Seine ersten Tonfilme drehte er mit seinem Kollegen Hans Schneeberger für Erich Pommers Ufa, Melodie des Herzens (1929) und Der Blaue Engel (1930). Inzwischen galt Rittau als einer der wichtigsten deutschen Kameramänner mit tricktechnischen Erfahrungen und er wurde für die Produktion der Science-Fiction-Filme F.P.1 antwortet nicht (1932) und Gold (1934) herangezogen.
1939 führte Rittau erstmals selbst Regie und arbeitete fortan bis 1948 ausschließlich als Regisseur. Dabei entstand 1941 unter seiner Regie der propagandistische Film U-Boote westwärts!, der als seine beste Regiearbeit gilt. Erst 1954 kehrte er hinter die Kamera zurück.
In den 1960er Jahren war er ausschließlich als Werbefilme und für Fernsehdokumentationen tätig.
1967 wurde er mit dem Filmband in Gold geehrt. Die Grabstätte von Günther Rittau befindet sich auf dem Münchner Waldfriedhof, Neuer Teil.