Nach dem Medizinstudium in Kiel und München, abgeschlossen 1913 mit Staatsexamen und Promotion, begann Frey seine chirurgische Ausbildung bei Albert Krecke in München, nahm am ersten Weltkrieg als Arzt teil und wurde 1919 Assistent bei Ferdinand Sauerbruch, der im Jahr zuvor die Leitung der Chirurgischen Universitätsklinik in München übernommen hatte. 1924 habilitierte sich Frey und ging 1927 als Oberarzt mit Sauerbruch nach Berlin. 1930 wurde er auf das Ordinariat für Chirurgie an der Medizinischen Akademie in Düsseldorf berufen, 1943 erhielt er den Lehrstuhl in München, den er bis zur Emeritierung innehatte (1958).

Frey hat sich um die Entwicklung der modernen Lungen- und Herzchirurgie verdient gemacht, sich für die Durchführung der einzeitigen Lobektomien und Pneumonektomien bei malignen Lungentumoren eingesetzt und die abdominothorakle Resektion beim Kardiakarzinom entwickelt. Bereits in den zwanziger Jahren hat er mit erfolgreichen Untersuchungen auf dem Gebiet der Pathophysiologie der bis dahin bevorzugt klinisch-operationstechnisch orientierten chirurgischen Forschung neue Wege erschlossen. Am Anfang stand seine Habilitationsschrift "Versuche über die Art des Herzschlags und der Herznervenwirkung". 

Es folgten weitere Untersuchungen, die dann zusammen mit H. Kraut und später E. Werle durchgeführt wurden, über eine von Frey entdeckte kreislaufwirksame Substanz, die seit 1930 als Kallikrein bezeichnet wurde. Das Kallikrein ist ein Bestandteil eines Kinin-Kininogensystems, das zusammen mit seinen Inhibitoren eine große Bedeutung sowohl in der Medizin als auch in der Grundlagenforschung erlangt hat.