Han blev født Francis Stephen Castelluccio den 3. maj 1934 i Newark, New Jersey. Valli begyndte sin musikkarriere i begyndelsen af 1950'erne og dannede en gruppe kaldet The Variatones. I 1960 sluttede han sig til The Four Seasons, og gruppen blev hurtigt en af årtiets mest populære numre. Med Valli som forsanger udgav Four Seasons en række hitsingler, inklusive "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" og "December, 1963 (Oh, What a Night). "
Gruppens popularitet faldt i slutningen af 1960'erne, men Valli fortsatte med at optræde og indspille som soloartist. Han har udgivet adskillige albums og singler og har også medvirket i en række film og tv-shows. I de senere år har Valli turneret med en ny version af De fire årstider.