Un interés en teología y filosofía lo impulsó a  llevar más allá sus estudios; a la edad de 18 años visitó Chambéry para unirse a la orden franciscana, y luego pasó un año en Crest (Dauphiné) donde hizo los votos el 16 de diciembre de 1716. Por dispensa especial, a causa de su juventud, del Obispo de Saluzzo, Vallotti fue ordenado sacerdote el 7 de julio de 1720, después de un periodo de estudio en Cuneo bajo el filósofo Castellani el mayor. En 1721 Castellani lo patrocinó  en un debate público posiblemente en Milán donde fue a estudiar con el teólogo D. F. Donati; Donati se trasladó a Padua y Vallotti lo siguió,  llegando el 6 de noviembre de 1721.

Generalmente se cree que Vallotti continuó estudios musicales en Padua con F. A. Calegari, maestro di cappella de la basílica de San Antonio. Fue elegido tercer organista de la basílica, sucediendo a G. L. Albori, el 28 de diciembre de 1722 y asumió el cargo en febrero siguiente. Allí podría aprender la teoría musical de Calegari, en la que, según admitiría después, se basaría en parte la  suya. Aunque su dedicación a sus deberes musicales no puede haber excedido inicialmente la de otros estudiantes universitarios que a veces sirvieron como organistas temporales o coristas, ésta aumentó indudablemente después de su fracaso en octubre de 1723 para calificar para estudios teológicos avanzados.

En la última mitad de 1725 reemplazó a Alessio Quadrio en el cuarto órgano en funciones que no requerían el tercero, y a fines de 1727, cuando el compositor paduano G. A. Rinaldi tomó posesión del cargo de Calegari como maestro di cappella, se concedió a Vallotti  un aumento en su sueldo (de 80 a 100 ducados anuales) por ayudar al maestro enfermo. Varias composiciones de esta época así como sus obras teóricas -Vallotti declaraba más tarde que su sistema teórico fue producido hacia 1728- lo deben haber recomendado como  sucesor de Rinaldi.

Francesco Antonio Vallotti

Después de la muerte de Rinaldi (8 de diciembre de 1728), sin embargo, la candidatura de Vallotti fue desafiada, pero recomendaciones de Antonio Lotti, Antonio Biffi y Antonio Pacelli en Venecia impulsaron a los administradores de la basílica a nombrarlo maestro (por cuatro votos a tres) el 21 de febrero de 1730. Ocupó el puesto durante 50 años, con un sueldo anual de 200 ducados más 40 ducados para papel de música y copistas.

Vallotti estaba ahora a cargo de un coro de 16 cantantes y una famosa  orquesta de 16 intérpretes de cuerdas, con Tartini como líder y Vandini como primer violonchelista. Había también varios intérpretes de vientos; aunque inexplicablemente ausentes en las partituras de Tartini, un oboe, trompeta y por lo menos dos órganos estaban normalmente disponibles y la música de Vallotti requiere éstos junto con el fagot y el corno (los dos últimos reservados para grandes fiestas). Vallotti, en lugar de Tartini, era oficialmente consultado cuando se contrataban nuevos instrumentistas, y él dirigía la orquesta siempre que esta acompañaba al coro.

Así como un estilo de coral concertado, Vallotti cultivó una estricta manera de contrapunto basada en su estudio de los maestros del siglo XVI. Entre aproximadamente 1730 y 1760 transcribió numerosas misas de Palestrina, los introitos de Costanzo Porta (1566) y otras obras del Renacimiento. Su reputación como contrapuntista impulsó a otros franciscanos como G. B. Martini en Bolonia, Giuseppe Paolucci en Venecia y A. M. Belli en Asis a pedir las partituras para estudiarlas e interpretarlas.

Federico el Grande encargó una misa y Te Deum para la consagración en 1773 de la Catedral de St Hedwig, Berlín, y algunos años más tarde Carl Theodor, Elector  Palatino, envió a Vallotti una medalla de oro para conmemorar las interpretaciones de su música en Mannheim. La importancia de Vallotti como teórico no se ha calibrado todavía. Salvo el primer volumen de su "Magnum opus Della scienza teorica e pratica", publicado poco antes de su muerte, sus escrituras teóricas han permanecido poco conocidas.

Una estatua de mármol de Vallotti debería haberse erigido en la basílica de San Antonio según un decreto del 16 de diciembre de 1782, pero en lugar de esta su busto se puso con una estatua de cuerpo entero de Tartini en el Prato della Valle en 1806. Una lápida que conmemora a Vallotti se agregó en el mismo parque en 1881. En 1896, cuando Giuseppe Verdi estaba componiendo su Te Deum, informó a Arrigo Boito sus estudios juveniles de la música de Vallotti y escribió a Tebaldini a Padua pidiéndole una copia de un "Te Deum" de Vallotti.