Il est né Francis Stephen Castelluccio le 3 mai 1934 à Newark, New Jersey. Valli a commencé sa carrière musicale au début des années 1950, en formant un groupe appelé The Variatones. En 1960, il rejoint les Four Seasons et le groupe devient rapidement l'un des groupes les plus populaires de la décennie. Avec Valli comme chanteur principal, les Four Seasons ont sorti une série de singles à succès, dont "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" et "December 1963 (Oh, What a Night). "
La popularité du groupe décline à la fin des années 1960, mais Valli continue à se produire et à enregistrer en tant qu'artiste solo. Il a sorti plusieurs albums et singles et est également apparu dans de nombreux films et émissions de télévision. Ces dernières années, Valli a tourné avec une nouvelle version des Quatre Saisons.