Hän syntyi Francis Stephen Castellucciona 3. toukokuuta 1934 Newarkissa, New Jerseyssä. Valli aloitti musiikkiuransa 1950-luvun alussa perustamalla yhtyeen nimeltä The Variatones. Vuonna 1960 hän liittyi The Four Seasons -yhtyeeseen, ja ryhmästä tuli nopeasti yksi vuosikymmenen suosituimmista esiintyjistä. Vallin laulajana Four Seasons julkaisi joukon hittisinglejä, mukaan lukien "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" ja "December, 1963 (Oh, What a Night). "
Yhtyeen suosio laski 1960-luvun lopulla, mutta Valli jatkoi esiintymistä ja äänittämistä sooloartistina. Hän on julkaissut useita albumeja ja singlejä, ja hän on esiintynyt myös useissa elokuvissa ja televisio-ohjelmissa. Viime vuosina Valli on kiertänyt The Four Seasons -elokuvan uudella versiolla.