Han föddes Francis Stephen Castelluccio den 3 maj 1934 i Newark, New Jersey. Valli började sin musikkarriär i början av 1950-talet och bildade en grupp som heter The Variatones. 1960 gick han med i The Four Seasons, och gruppen blev snabbt en av decenniets mest populära akter. Med Valli som sångare släppte Four Seasons en rad hitsinglar, inklusive "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" och "December, 1963 (Oh, What a Night). "
Gruppens popularitet minskade i slutet av 1960-talet, men Valli fortsatte att uppträda och spela in som soloartist. Han har släppt flera album och singlar, och har även medverkat i ett antal filmer och tv-program. De senaste åren har Valli turnerat med en ny version av De fyra årstiderna.