弗雷·奥托于1925年5月31日出生在德国的Siegmar，并在柏林长大。在德语中，“弗雷”的意思是“自由”；他的母亲在参加了一次关于自由的讲座后想出了这个名字。奥托的父亲和祖父都是雕塑家。他还是一名年轻学生时，曾在学校放假期间担任石匠学徒。作为一项爱好，他曾驾驶并设计滑翔机——这项活动激起了他对轻型框架覆盖薄膜如何响应空气动力和结构应力的研究兴趣。

1943年他获得大学入学资格后，奥托立即报名学习建筑学，但未能如愿。相反，他加入了劳动者大军。1943年9月，奥托被应征入伍，并受训成为一名飞行员。1944年年底飞行员训练中止后，奥托成了一名步兵。1945年4月，他在纽伦堡附近被俘，在法国沙特尔附近的战俘营待了两年。在那里，他曾但任战俘营的建筑师，并学会了用尽可能少的材料建造多种类型的结构。

战争结束后，弗雷·奥托于1948年回国，在柏林技术大学攻读建筑学。他的建筑学观念一直反对第三帝国时期德国所流行的笨重、支柱构造并妄想永久存留的楼宇。与此相反，奥托的作品是轻量的、开放、民主和低成本的，有时甚至是临时的。

1950年，奥托在奖学金资助下赴美游学，并参观了弗兰克·劳埃德·赖特、埃瑞许·孟德尔松、艾罗·沙里宁、路德维希·密斯·凡德罗、理查德·诺依特拉、查尔斯和蕾·伊姆斯等人的作品。在此期间，他在弗吉尼亚大学学习社会学和城市发展。

1952年，弗雷·奥托成为了一名自由建筑师，并在柏林创办了自己的建筑事务所。1954年，他获得柏林技术大学土木工程博士学位，他的博士论文《悬挂屋顶、形式和结构》曾以德文、波兰文、西班牙文和俄文发表。此外，1954年，他开始与斯特罗梅耶尔建筑师事务所的“帐篷建造者”彼得·斯特罗梅耶尔展开合作。1955年，他们为在德国卡塞尔举行的德国联邦园艺博览会（联邦花园展）设计并建造了三个用棉织品制成轻量级、最小化的临时搭建物。这是他第一批获得国家承认的作品，其中一部分因素是这些结构与周边自然环境的协调。

弗雷·奥托率先将现代的轻型帐篷状结构进行广泛应用。他为此着迷的一个原因在于其经济和生态价值。早在20世纪50年代，他就曾建造复杂模型来测试和改善拉伸形状。在他的整个职业生涯中，奥托始终坚持建造物理模型来确定某种形式的最佳形状并检测其行为。在他工作室的工程师率先使用计算机对弗雷·奥托的项目进行结构分析，但这些计算的基础数据均来自用于形态研究的物理模型。

1958年，奥托创办了第一个专注于轻质结构的研究所——轻质建筑开发研究所（这是一家小型的私人机构，此后他又成立了几家类似机构），并在柏林的Zehlendorf区开设了一家新的工作室。在接下来的五年里，他定期赴美国讲学，并在华盛顿大学圣路易斯分校、耶鲁大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院和哈佛大学做访问学者。

1961年成立于柏林技术大学的生物学与建筑研究小组标志着他与建筑师、工程师和生物学家协作的开始。他们运用来自帐篷、网壳以及其他轻型结构的知识来更好地理解生物结构和形式的设计。

1962年，奥托发表了他重要巨著——《张力结构：缆线、网格和薄膜结构建造的设计、结构与计算》的第一卷（第二卷于1966年出版）。1964年，他成为新成立的斯图加特大学轻型结构研究所（IL）的主任。IL受德国政府委托，对1967年加拿大蒙特利尔世博会德国馆的规划事宜进行研究。德国领导人选择了奥托的作品来展示本国二战后在工业和工程方面的专长和创新技术。由此产生的1967年世博会德国馆由罗尔夫·古特布罗德和弗里茨·莱昂哈特合作创建，让身为建筑师和设计工程师的弗雷·奥托获得了走向国际的 机遇。这是大规模被动式太阳能建筑的早期典范之一。

次年，即1968年，奥托被提名为美国建筑师学会荣誉院士，IL也得到慕尼黑奥运会组委会委托，为慕尼黑奥林匹克公园主体育场的投射式屋顶开发建设测量模型。这个专为当年奥运会设立的项目于1972年5月由君特·贝尼施、弗雷·奥托和弗里茨·莱茵哈特合作完成，该项目由一块覆盖奥林匹克体育场看台的巨大薄膜、拉伸结构竞技场、奥林匹克游泳池织物屋顶以及连接建筑物并为观众遮阳挡雨的双曲线薄膜天篷所组成。