Francis Stephen Castelluccio néven született 1934. május 3-án a New Jersey állambeli Newarkban. Valli az 1950-es évek elején kezdte zenei karrierjét, és megalapította a The Variatones nevű csoportot. 1960-ban csatlakozott a The Four Seasons-hoz, és a csoport gyorsan az évtized egyik legnépszerűbb szereplőjévé vált. Valli énekesével a Four Seasons egy sor slágert adott ki, köztük a "Sherry", a "Big Girls Don't Cry", a "Walk Like a Man" és a "December, 1963" (Oh, What a Night). "
A csoport népszerűsége az 1960-as évek végén visszaesett, de Valli szólóművészként továbbra is fellépett és lemezeket készített. Számos albumot és kislemezt adott ki, valamint számos filmben és televíziós műsorban szerepelt. Az elmúlt években Valli a The Four Seasons új verziójával turnézott.