Fils d’enseignants dans l’un des deux lycées généraux tarbais, David Fray commence le piano très tôt, à 4 ou 5 ans, sous l’influence de la culture musicale allemande, langue enseignée par sa mère. A 14 ans, il est distingué par le conservatoire de sa ville natale où il obtient trois médailles d’or : piano, musique de chambre et formation musicale.
Après avoir remporté divers concours, il entre en 1999 au Conservatoire National Supérieur de Musique et de Danse de Paris dans la classe de Jacques Rouvier où il obtient le diplôme de formation supérieure avec mention très bien.
En 2002, David Fray est admis en cycle de perfectionnement — de nouveau chez Jacques Rouvier — puis en formation supérieure de musique de chambre — dans la classe de Christian Ivaldi et de Claire Désert.
Depuis, il s’est produit, entre autres, à la Cité de la musique (2002), au Théâtre Mogador à Paris (2003), au Festival de La Roque-d’Anthéron (été 2004), au festival d’Entrecasteaux, à la 15e édition de La Folle Journée de Nantes (2009), Place des Arts de Montréal et à l’Alti Hall de Kyoto.
Il collabore avec des orchestres internationaux de renom comme l’Orchestre national du Capitole de Toulouse, l’Orchestre de Paris sous la direction de John Axelrod et Christoph Eschenbach, l’Orchestre national de France, l’Orchestre du Mozarteum de Salzbourg, l’Orchestre du Concertgebouw d’Amsterdam, l’Orchestre Métropolitain de Montréal…
Il effectue des tournées dans plusieurs pays du monde…
En parallèle, David Fray obtient des récompenses et des distinctions. Après s’être vu attribuer le 2e Grand Prix au Concours international de Montréal, en 2004, la maison de disques canadienne Atma Classique signe avec lui un contrat et lui fait enregistrer son premier disque consacré à Schubert et Liszt.
À la suite d’un concert où il remplaça Hélène Grimaud au Théâtre du Châtelet en juin 2006, Virgin Classics signe avec lui un contrat d’exclusivité. L’année suivante, un disque est publié, enregistrement qui met « en miroir » les œuvres de Bach avec celles de Pierre Boulez. En 2008, le second disque est consacré aux quatre concertos pour clavier et cordes de Bach pour lesquels il est accompagné par l’Orchestre de Chambre de Brême.
En 2009, invité au Festival International de Baalbeck au Liban.