Han ble født Francis Stephen Castelluccio 3. mai 1934 i Newark, New Jersey. Valli begynte sin musikkarriere på begynnelsen av 1950-tallet, og dannet en gruppe kalt The Variatones. I 1960 ble han med i The Four Seasons, og gruppen ble raskt en av tiårets mest populære handlinger. Med Valli som forsanger ga Four Seasons ut en rekke hitsingler, inkludert "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" og "Desember, 1963 (Oh, What a Night). "
Gruppens popularitet falt på slutten av 1960-tallet, men Valli fortsatte å opptre og spille inn som soloartist. Han har gitt ut flere album og singler, og har også dukket opp i en rekke filmer og TV-serier. De siste årene har Valli turnert med en ny versjon av De fire årstidene.