Fred Cavayé commence par travailler en tant que photographe de mode. A partir des années 2000, il s’essaye au court-métrage et en réalise trois : "J" en 2000, "Chedope" en 2002 et A l’arraché en 2003. Le premier est prénominé pour les Oscars en 2011 et remporte sept récompenses dans différents festivals. "Chedope" reçoit trois distinctions. Quant à "A l’arraché", le court-métrage est diffusé dans 400 salles avant la projection du film Je reste ! de Diane Kurys.

A partir de 2006, Fred Cavayé commence à participer à l’écriture de scénarios pour d’autres réalisateurs. C’est le cas pour La Guerre des miss réalisé par Patrice Leconte en 2009 où il est crédité comme collaborateur au scénario. 2008 marque l’année de sa première œuvre de long métrage en tant que réalisateur avec le thriller Pour elle dans lequel Vincent Lindon tente de sauver sa compagne Diane Kruger incarcérée. L'oeuvre bénéficie même d'un remake américain en 2010 intitulé Les Trois prochains jours réalisé par Paul Haggis et porté par Russel Crowe.

Fort de ce premier essai convainquant, Cavayé enchaine avec A bout portant, un autre thriller très énergique. C’est ce film qui permet la rencontre entre le réalisateur et Gilles Lellouche. Ils se retrouvent par la suite à la demande de celui-ci sur Les Infidèles en 2011, où Cavayé réalise l’un des sketches du film. La même année, le réalisateur est préssenti pour réaliser Die Hard : belle journée pour mourir, mais il refuse après la lecture du scénario déclarant qu'il réalise des films plus à "hauteur d'homme".

En 2014, Fred sort son troisième long métrage : Mea Culpa. Ce thriller d'action réunit deux comédiens qu'il connaît bien : Vincent Lindon et Gilles Lellouche. Deux ans plus tard, le metteur en scène change radicalement de registre et livre la comédie Radin ! portée par Dany Boon dans la peau d'un personnage trop près de ses sous. En 2018, le natif de Rennes poursuit avec Le Jeu, un remake d'un film italien dans lequel des couples d’amis décident de jouer à un "jeu" où chacun doit poser son téléphone au milieu de la table... Et partager ses messages personnels avec les autres !

En 2022, Fred Cavayé livre Adieu Monsieur Haffmann, un drame se déroulant pendant la Seconde Guerre mondiale avec Daniel Auteuil, Gilles Lellouche et Sara Giraudeau. Aimant retrouver des acteurs qu'il connaît bien, il sollicite à nouveau Dany Boon en 2023 pour Les Chèvres !, une comédie bien barrée qui se déroule au 17ème siècle, à une époque où les animaux peuvent être jugés pour avoir commis un crime.