Родился Агостино Валлини 17 апреля 1940 в Поли, в области Лацио, в Италии. Когда он был ребенком семья переехала в Барру, около Неаполя. Он учился в Старшей архиепископской семинарии в Неаполе, на теологическом факультете Университета Северной Италии имени Фомы Аквинского, а также в Папском Латеранском Университете, где он получил докторантуру в каноническом и гражданском праве. Тема его диссертации: «Новый Кодекс Канонического Права».
19 июля 1964 Валлини был рукоположён в священники в Неаполе. Рукоположение совершил Витторио Лонго — титулярный епископ Ларимы, вспомогательный епископ Неаполя.
Профессор канонического права Валлини преподавал каноническое право на теологическом факультете Университета Северной Италии имени Фомы Аквинского, а позднее стал деканом факультета. Профессор канонического права в Папском Латеранском Университете. Эксперт Итальянской Католической Университетской Федерации. Позднее назначен ректором Старшей архиепископской семинарии в Неаполе. Региональный советник движения «Католической действие».
Папа римский Иоанн Павел II 23 марта 1989 назначил его титулярным епископом Тортиболи и вспомогательным епископом Неаполя. Он был посвящен в епископа 13 мая 1989, в кафедральном соборе Неаполя, кардиналом Микеле Джордано — архиепископом Неаполя, которому помогали Луиджи Дилидженца — архиепископ Капуа и Антонио Амброзиано — архиепископ Сполето-Норча. 13 ноября 1999 Валлини был переведен в епархию Альбано, которую он занимал до 27 мая 2004. 27 мая 2004 Валлини был назначен префектом Верховного Трибунала Апостольской Сигнатуры, и повышен до статуса архиепископа.
24 марта 2006 папа римский Бенедикт XVI возвел Валлини в кардиналы-дьяконы с дьяконством S. Pier Damiani ai Monti di San Paolo.
27 июня 2008 папа римский Бенедикт XVI назвал кардинал Валлини генеральным викарием Рима, сменив на посту кардинала-викария, кардинал Камилло Руини, освободив его от поста префекта Верховного Трибунала Апостольской Сигнатуры. Кроме того, папа римский назвал префектом этого трибунала, Рэймонда Лео Бёрка, до сих пор архиепископа Сент-Луиса, США.
Назначение кардиналом-викарием, усиливает влияние Валлини в Римской курии и при Папском дворе, делает кардинала Валлини, одним из близких приближенных кардиналов папы Бенедикта XVI.
24 февраля 2009 кардинал Валлини был возведён в кардиналы-священники pro hac vice с титулом церкви S. Pier Damiani ai Monti di San Paolo. Тем самым кардинал Валлини, стал кардиналом-священником через три года после возведения в сан кардинала-дьякона, что показывает усиливающее влияние кардинала Валлини, так как кардиналом-священником кардинал-дьякон может стать только после десяти лет пребывания в сане кардинала-дьякона.