Frei rozpoczynał swoją karierę piłkarską w klubach szwajcarskiej Super Ligi. Występował m.in. w zespole FC Basel. W 2001 wywalczył z Servette Genewa Puchar Szwajcarii, występował również w Pucharze UEFA. W 2003 jako utalentowany napastnik przeniósł się do francuskiej Ligue 1. W barwach Rennais zdobył w pierwszym sezonie 20 bramek, ustępując jedynie Djibrilowi Cissé. W 2005 zdobył wreszcie koronę króla strzelców (20 goli) i występował z Rennais w Pucharze UEFA. W czerwcu 2006 podpisał nowy czteroletni kontrakt z drużyną Borussii Dortmund. W pierwszym sezonie w Bundeslidze szybko zaaklimatyzował się i w 32 meczach strzelił 16 goli, stając się najlepszym strzelcem BVB. Znalazł się również w czołówce strzelców niemieckiej ekstraklasy.

W reprezentacji Szwajcarii Frei występował już w drużynach juniorskich. W 2002 był półfinalistą Mistrzostw Europy U-21. W pierwszej drużynie seniorów zadebiutował 24 marca 2001 w meczu z Jugosławią (1:1). W 2004 wystąpił na Mistrzostwach Europy w Portugalii, zaś w 2006 zadebiutował na Mistrzostwach Świata, na których zdobył pierwszą bramkę w drugim meczu grupowym przeciwko Togo. Do tej pory rozegrał w reprezentacji Szwajcarii 59 meczów i zdobył 35 bramek, dzięki czemu jest najskuteczniejszym strzelcem w jej historii. Podczas pierwszego meczu na Mistrzostwach Europy w Austrii i Szwajcarii pod koniec pierwszej połowy doznał kontuzji kolana, co wykluczyło jego dalszy udział w tej imprezie.