Γεννήθηκε ως Francis Stephen Castelluccio στις 3 Μαΐου 1934 στο Newark του New Jersey. Ο Valli ξεκίνησε τη μουσική του καριέρα στις αρχές της δεκαετίας του 1950, σχηματίζοντας ένα γκρουπ με το όνομα The Variatones. Το 1960, έγινε μέλος του The Four Seasons και το συγκρότημα έγινε γρήγορα μια από τις πιο δημοφιλείς ηθοποιούς της δεκαετίας. Με τον Valli ως τραγουδιστή, οι Four Seasons κυκλοφόρησαν μια σειρά από επιτυχημένα σινγκλ, συμπεριλαμβανομένων των "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" και "December, 1963 (Oh, What a Night). "
Η δημοτικότητα του συγκροτήματος μειώθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960, αλλά ο Valli συνέχισε να παίζει και να ηχογραφεί ως σόλο καλλιτέχνης. Έχει κυκλοφορήσει αρκετά άλμπουμ και σινγκλ, ενώ έχει επίσης εμφανιστεί σε πολλές ταινίες και τηλεοπτικές εκπομπές. Τα τελευταία χρόνια, ο Valli έχει περιοδεύσει με μια νέα έκδοση του The Four Seasons.