Son père était officier de carrière. Bachelier, il entre en 1924 à l'Ecole spéciale militaire de Saint-Cyr. De 1926 à 1929 il sert comme officier à l'armée du Rhin d'abord au 10e Bataillon de Mitrailleurs puis au 156e Régiment d'Infanterie. De 1929 à 1932, il est affecté successivement en Syrie au 16e Régiment de Tirailleurs tunisiens puis à Kamechlié au 8e Bataillon assyro-chaldéen. En 1933, il retourne en métropole, à Hyères, au 3e Régiment d'Infanterie Alpine avant d'effectuer, en 1935, un stage d'observateur aérien à Lyon-Bron. En 1936 et 1937, il est en stage à l'Ecole supérieure de Guerre et capitaine d'Infanterie breveté.
En 1938, il est à Strasbourg, où il suit les cours du Centre des hautes Etudes germaniques et en obtient le diplôme. Cette occasion lui permet d'observer de près la doctrine national-socialiste et son application en Allemagne. En 1939, le capitaine Frenay est affecté à Ingwiller, à l'Etat-major de la 17e Région militaire. Pendant la campagne de France, officier d'Etat-major au Col du Donon, il est fait prisonnier au mois de juin 1940 et parvient à s'évader et à rejoindre sa mère en Zone sud, à Sainte-Maxime. Il est cité. En juillet 1940, Henri Frenay est affecté en garnison à Marseille et dès le 15 août 1940, refusant la défaite, il écrit un manifeste, premier appel à la lutte armée. Il organise dès lors les premiers recrutements parmi ceux qui comme lui refusent l'armistice.
En décembre 1940, il est affecté au 2e Bureau de l'Etat-major de l'armée à Vichy. En janvier 1941, il démissionne de l'armée et entre rapidement dans la clandestinité. Il publie le 16 juillet suivant le premier numéro clandestin des Petites Ailes. Au même moment, il rencontre pour la première fois Jean Moulin qui se prépare à partir pour Londres. Il fonde ensuite le Mouvement de Libération nationale et édite le journal Vérités à partir de septembre 1941 avec l'aide de Berty Albrecht, qu'il connaît depuis 1934. En novembre à Grenoble, il rencontre François de Menthon qui dirige le mouvement Liberté, éditant un journal du même nom. De la fusion du MLN et de Liberté naît le mouvement Combat. En décembre paraît le premier numéro du journal Combat. Combat, toujours avec l'aide de Berty Albrecht, devient peu à peu le premier mouvement de Résistance de la Zone sud en terme d'effectifs. Grâce aux fonds fournis par Jean Moulin, Combat peut financer ses cadres et se développer.
Persuadé de l'importance de former la résistance à la lutte armée, Frenay met en place les premières cellules de l'armée secrète et les premiers groupes francs durant l'année 1942. Dès juin 1942, il est recherché par la police de Vichy. A l'été 1942, Combat tire à cent mille exemplaires. En septembre 1942, Henri Frenay part pour Londres en compagnie d'Emmanuel d'Astier, et y rencontre le général de Gaulle. Il est de retour en France en novembre 1942 par une opération aérienne. Début 1943, sous l'impulsion de Jean Moulin sont créés les Mouvements unis de Résistance (MUR) qui voient l'unification des principaux mouvements de la zone sud : Combat, Libération et Franc-Tireur. Henri Frenay est alors membre du Comité directeur des MUR.
En juin 1943, "Charvet", alias Henri Frenay, confie la direction du mouvement à son adjoint Claude Bourdet et retourne à Londres. En juillet, il part pour Alger où, le mois suivant, le général de Gaulle lui remet la Croix de la Libération. Nommé en novembre 1943 à la tête du Commissariat aux Prisonniers, Déportés et Réfugiés du Comité français de Libération nationale à Alger. Il continue à écrire dans Combat, fait plusieurs discours à la radio et est appelé à siéger à l'Assemblée consultative provisoire d'Alger. En août 1944 Henri Frenay devient ministre des Prisonniers, Déportés et Réfugiés du Gouvernement provisoire de la République française. Il arrive en France le 1er septembre 1944, sur la Jeanne via Cherbourg avec les membres du GPRF. Le lendemain il arrive à Paris et participe au premier Conseil des ministres le jour même.
Il se dévoue à la tâche immense visant à assurer le retour en France des prisonniers de guerre et déportés. Malgré les nombreuses difficultés, en mars 1945 ont lieu les premiers retours (20 000) puis en avril (313 000), en mai (900 000) et en juin (276 000). En juillet le ministère considère le rapatriement comme terminé. En novembre 1945, Henri Frenay est l'initiateur de ce qui deviendra le Mémorial de la France combattante au Mont Valérien avant de démissionner de son poste de ministre qui est d'ailleurs supprimé. En septembre 1946 il est élu président de l'Union européenne des Fédéralistes. Il est co-fondateur de l'Union démocratique et socialiste de la Résistance (UDSR). En 1954, il démissionne de sa fonction à l'U.E.F. en raison de l'échec de la Communauté européenne de Défense. Directeur de plusieurs sociétés et associé à l'exploitation du quotidien Combat. Administrateur de sociétés d'édition, il publie en 1973 La Nuit finira puis, en 1975, Volontaires de la Nuit. Henri Frenay est décédé le 6 août 1988 à Porto Vecchio en Corse où il est inhumé.