Cresciuto nelle giovanili del Winterthur, nel luglio 2004 viene acquistato dal Basilea. Non scende mai campo fino al 2006, quando fa il suo esordio da professionista nella squadra riserve nel match di Prima Lega contro l'Under-21 del Lucerna, terminato 6-0, realizzando anche la prima rete in carriera. Nella stessa stagione fa il suo esordio nell'Under-18 contro i pari età austriaci, segnando ancora una volta al suo esordio.
Nella stagione seguente viene promosso in prima squadra, facendo il suo esordio nella Axpo Super League contro lo Zurigo. Gioca ancora nella squadra B, nella coppa nazionale e nella Coppa UEFA. Nel 2008-2009 si conferma titolare nel club, dove scende in campo per la prima volta in Champions League contro lo Sporting Lisbona. Viene convocato anche nell'Under-20, e per la prima volta anche nell'Under-21, dove realizza il suo primo gol nell'incontro amichevole contro l'Under-20 tedesca.
Nella stagione successiva viene ceduto in prestito al San Gallo, dove gioca la sua prima partita con la sua nuova squadra contro lo Young Boys (1-1); segna invece il suo primo gol contro il Bellinzona. Gioca stabilmente nell'Under-21, totalizzando 6 presenze impreziosite da 2 reti. Nella stagione 2010-2011 gli viene confermato il prestito; si rende protagonista in Coppa di Svizzera, segnando 4 reti in 3 presenze. Con l'Under-21 gioca 3 amichevoli, 2 partite di qualificazione all'Europeo di categoria, e a giugno viene convocato da Pierluigi Tami per l'Europeo Under-21 2011, dove disputa 5 presenze, segnando 1 rete contro l'Under-21 islandese. Al termine della stagione ritorna al Basilea.
^(EN) Phil McNulty, Manchester United 3-3 Basel, in BBC Sport, 26 settembre 2011. URL consultato il 17 settembre 2024.
^(DE) Frei kommt für vier Jahre, su mainz05.de, 23 giugno 2015. URL consultato il 17 settembre 2024 (archiviato dall'url originale il 26 giugno 2015).
^(DE) Fabian Frei kehrt zum FCB zurück, su fcb.ch, 23 dicembre 2017. URL consultato il 17 settembre 2024 (archiviato dall'url originale il 29 dicembre 2017).
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