Родился в семье фабриканта Лотара Фрича и его жены Анни, урожденной Баукман. В 1912 после банкротства фирмы родители переезжают в Берлин, где отец работает техническим директором Сименс АГ. В 1915 Вилли Фрич учится там на механика, но вскоре бросает учебу. Работает в Окружном суде в Берлине, появляется в качестве статиста на сцене.
В 1919 берет уроки актерского мастерства в школе Рейнхардта, исполняет первые небольшие роли в Немецком театре. С 1920 снимается в кино, как правило, в роли галантных любовников и авантюристов. С 1929 с приходом звука в кино часто выступает в дуэте с Лилиан Харвей в музыкальных комедиях, таких как «Трое с бензоколонки» (Die Drei von der Tankstelle, 1931) и «Конгресс танцует» (Der Kongre? tanzt, 1931). Эти фильмы приносят ему огромную популярность; многие песни в его исполнении становятся шлягерами.
В 1938 Вилли Фрич женится на актрисе и танцовщице Дине Грейс (Ильза Шмидт), от этого брака у него двое сыновей — Михаэль и Томас. В 1938 заканчивается его сотрудничество с Лилиан Харвей, которая эмигрирует во Францию. Вилли Фрич продолжает работать в Германии и вступает в НСДАП — в силу оппортунизма, а не политических убеждений.
После Второй мировой войны переезжает в Гамбург, продолжает сниматься в кино. После смерти жены в 1963 редко выходит в свет. В 1964 в последний раз появляется на экране вместе со своим сыном Томасом Фричем, который тоже стал актером, в фильме «Этому я научился у папы» (Das hab? ich von Papa gelernt).
Вилли Фрич умер 13 июля 1973 в Гамбурге.