Tonino Valerii byl absolventem Centro Sperimentale di Cinematografia, kde byli v oboru režie v letech 1955–1957 jeho spolužáky Ernesto Gastaldi a Giuliano Carnimeo. Začínal jako asistent režie a učil se u režisérů jako Camillo Mastrocinque, Alessandro Blasetti či Sergio Leone. Kromě režie byl rovněž scenáristou a podílel se na mnoha vlastních filmech. Stejně jako jeho vrstevníci natáčel na přelomu šedesátých a sedmdesátých let spaghetti westerny. Bylo to dáno dobou a popularitou tohoto žánru. On sám měl k tomuto žánru velice blízko, neboť byl často asistentem režie u Leonových filmů a navíc se podílel i na scénářích Per un pugno di dollari (1964) a Per qualche dollaro in più (1965).
V sedmdesátých letech začal zájem o spaghetti westerny postupně klesat a na scénu se dostaly zejména žánry krimi včetně gialla a poliziotteschi. V této oblasti natočil Valerii poměrně zdařilý snímek Mio caro assassino (1972). Pak přicházejí Vai Gorilla (1975), Sahara Cross (1978) či Sicilian Connection (1987). V roce 1987 natočil ještě válečný film La sporca insegna del coraggio a své filmování ukončuje dvěma dramaty v roce 1997.
Valerii natáčel, i když zcela výjimečně, také pro televizi. V roce 1985 se jako jeden z režisérů podílel na seriálu Caccia al ladro d'autore, stejně tak o tři roky později na seriálu Il ricatto (1988). Jeho posledním televizním dílem je romantická mini-série Il cielo non cade mai (1992).
V roce 2007 obdržel na Almería International Short Film Festivalu zvláštní cenu Tribute Award. Kritikou nejlépe hodnoceným filmem ale zůstává film o dospívající dívce La ragazza di nome Giulio (1970), ve kterém si sám zahrál a film byl nominován v roce 1970 v Berlíně na Zlatého medvěda. Bohužel vzhledem k předčasnému ukončení festivalu nebyl tento film vůbec promítán.