Nació como Francis Stephen Castelluccio el 3 de mayo de 1934 en Newark, Nueva Jersey. Valli comenzó su carrera musical a principios de la década de 1950, formando un grupo llamado The Variatones. En 1960, se unió a The Four Seasons, y el grupo rápidamente se convirtió en uno de los actos más populares de la década. Con Valli como cantante principal, Four Seasons lanzó una serie de sencillos exitosos, entre ellos "Sherry", "Big Girls Don't Cry", "Walk Like a Man" y "December, 1963 (Oh, What a Night). "
La popularidad del grupo disminuyó a finales de la década de 1960, pero Valli continuó actuando y grabando como solista. Ha lanzado varios álbumes y sencillos, y también ha aparecido en varias películas y programas de televisión. En los últimos años, Valli ha realizado giras con una nueva versión de The Four Seasons.