Fréchet ging am Lycée Buffon in Paris zur Schule, wo Jacques Hadamard sein Lehrer war und seine mathematische Begabung förderte. Nach Studium (1900–1903) an der École normale supérieure, promovierte er dort 1906 bei Hadamard (Sur quelques points du calcul fonctionnel).[1] Um diese Zeit bearbeitete er auch Vorlesungen von Émile Borel über reelle Funktionen und von Hadamard über Variationsrechnung für die Veröffentlichung und knüpfte auch Kontakte zu US-amerikanischen Mathematikern wie Edwin Wilson. 1907/1908 war er Mathematiklehrer am Gymnasium (Lycée) in Besançon, 1908/1909 in Nantes und von 1910 bis 1919 Professor für Mechanik an der Faculté des Sciences in Poitiers. Ursprünglich wollte er 1914/1915 an der University of Illinois in Urbana lehren, was durch den Ersten Weltkrieg verhindert wurde, während dessen er Wehrdienst als Verbindungsoffizier zu den Engländern leistete. Nach dem Krieg war er am Aufbau der nun französisch gewordenen Universität in Straßburg beteiligt, wo er 1919 bis 1927 Professor für höhere Analysis und Direktor des mathematischen Instituts war. In dieser Zeit organisierte er auch den Internationalen Mathematikerkongress 1920 in Straßburg. Mit Unterstützung von Emile Borel ging er ab 1928 nach Paris, wo er Maître de Recherches an der École des Hautes-Études war, danach Professor an der Faculté des Sciences und ab 1929 zusätzlich Professor für Mechanik und Analysis an der Ecole Normale Superieure. 1948 ging er in den Ruhestand.
In seiner Zeit in Paris ab 1928 wandte er sich der Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie zu, über die er schon in Straßburg Vorlesungen gehalten hatte.