Vannelli nació en una familia italiana en Montreal, Quebec. Su padre, (Joseph) Russ Vannelli, cantó con las bandas de baile de Montreal de los trompetistas Bix Belair y Maynard Ferguson . Su primera ambición era ser baterista. Admiraba a Gene Krupa y Buddy Rich , y tocaba la batería en una banda de pop mientras estaba en la escuela secundaria. En 1969, a la edad de diecisiete años, firmó un contrato con RCA Records, bajo el nombre de Vann Elli. Estudió teoría musical en la Universidad McGill en Montreal.
Vannelli y su hermano, Joe , se mudaron a Los Ángeles en 1972. Desesperados y sin dinero, esperaron durante horas en el estacionamiento frente a A&M Studios , con la esperanza de conseguir un contrato discográfico. Cuando finalmente emergió Herb Alpert , el copropietario de A&M Records, Vannelli corrió hacia él y le dio una cinta de demostración mientras era perseguido por los guardias de seguridad. Alpert firmó con Vannelli y lanzó su álbum debut, Crazy Life , en el verano de 1973.
Vannelli fue uno de los primeros caucásicos ( Dennis Coffey fue el primero en enero de 1972) en aparecer en el programa de televisión de baile Soul Train. En 1974, fue invitado a realizar una gira con Stevie Wonder .
Vannelli lanzó un álbum, Gist of the Gemini, en 1976 a través de A&M Records. Su álbum de 1978 Brother to Brother, también con A&M, produjo el sencillo » I Just Wanna Stop «, que alcanzó el número 4 en la lista de la revista Billboard, el número 1 en Canadá y recibió una nominación al premio Grammy. Su siguiente álbum, Nightwalker, también produjo un éxito entre los diez primeros, » Living Inside Myself «.
Recibió los premios Juno al vocalista masculino más prometedor del año en 1975. En 1976, y nuevamente en 1979, recibió los premios Juno al mejor vocalista masculino. Él y su hermano Joe, su socio musical durante esos años, compartieron el premio Juno a la Mejor Producción por Brother to Brother en 1979.
A pesar del éxito de los sencillos «Black Cars» y «Hurts to Be in Love» (1985), así como «Wild Horses» (1987), después de su gira mundial de 1979, Vannelli apareció en vivo sólo esporádicamente durante la década de 1980.
Partiendo del idioma jazz-pop, Vannelli lanzó dos discos de jazz en gran parte acústicos, Yonder Tree (1995) y Slow Love (1997). Después de producir el álbum Hitek Hiku para el pianista de jazz danés Niels Lan Doky, Vannelli revisó su interés por la música clásica occidental con la canción «Parole Per Mio Padre» (Palabras para mi padre), dedicada a su difunto padre, y compuesta en el estilo y tradición de Schubert. La grabación llamó la atención del Papa Juan Pablo II, quien solicitó una interpretación de la canción en el Vaticano. Televisado en Europa, el evento llamó la atención del responsable de BMG Records quien posteriormente le pidió a Vannelli que grabara un disco clásico contemporáneo al estilo de «Parole per Mio Padre». Canto, lanzado por BMG en 2003, incluye canciones cantadas en inglés, italiano, español y francés (Tracklist: Canto, Parole Per Mio Padre, The Last Dance, Dea Speranza, Una Sola Voce, Wayward Lover, Mala Luna, Joli Cœur, Una Rosa A Dicembre, Il Viaggio, The Last Days Of Summer), ya que los fanáticos y el propio Vannelli lo consideran uno de sus logros musicales más fuertes.
