El seu cognom era Caletti, però adoptà el del seu protector Federigo Cavalli. El 1617 entrà com a cantor al cor de la capella ducal de Venècia que dirigia Monteverdi. Esdevingué organista (1640) i mestre de capella (1668) de Sant Marc de Venècia. La seva producció religiosa seguí la tradició veneciana dels Gabrieli i de Monteverdi. Les seves obres més significatives són, però, les òperes (més de 40), entre les quals excel·leixen Didone (1641), L’Ormindo (1644), Giasone (1649), La Calisto (1651) i L’Ercole amante (1662), en les quals utilitza el recitatiu dramàtic. El 2004 tingué lloc a Brussel·les l’estrena de la darrera de les seves òperes, Eliogabalo (1668), inèdita fins aquell moment. La direcció escènica anà a càrrec de Vincent Boussard i la musical, de René Jacobs.