Freya Deichmann wächst als jüngstes Kind des Bankiers Carl Theodor Deichmann und seiner Frau Ada mit zwei Brüdern in Köln auf. 

1930 legt Freya Deichmann ihr Abitur ab, studiert Rechts­wissen­schaft und wird 1935 in Berlin pro­mo­viert. Sie lernt 1929 Helmuth James Graf von Moltke kennen, zwei Jahre später heiraten sie. Aus der Ehe gehen zwei Kinder her­vor.

Ab 1935 ver­wal­tet Freya von Moltke das Gut der Familie in Kreisau (Krzyżowa). Ihr Mann arbeitet in Berlin als An­walt. Ab Kriegs­be­ginn 1939 wird er dort als Sach­ver­stän­di­ger im Amt Aus­land/Ab­wehr ver­pflich­tet. Die Tren­nung über­brückt das Ehe­paar durch einen täg­li­chen Brief­wechsel.

Freya und Helmuth von Moltke stehen den Na­tio­nal­so­zia­lis­ten schon vor der Macht­über­nahme kritisch gegen­über. Freya von Moltke unter­stützt das von ihrem Mann 1940 mit­ge­grün­de­te Wider­stands­netz­werk, den so­ge­nann­ten Kreisauer Kreis, das sich aus op­po­si­tio­nell ge­sinnten Frauen und Männern unter­schied­licher sozialer Schichten und Grund­über­zeug­ungen zu­sam­men­setzt. Sie nimmt an ge­hei­men Zu­sam­men­künften teil, auf denen über Neu­ord­nungs­pläne für ein demo­kra­tisches Deutsch­land nach dem Ende des Na­ti­on­al­so­zia­lis­mus disku­tiert wird. Freya von Moltke tippt die Nieder­schriften ab und ver­steckt die Do­ku­men­te auf dem Guts­hof in Kreisau.

Im Januar 1944 wird Helmuth von Moltke fest­ge­nom­men. Freya von Moltke be­müht sich erfolg­los um die Frei­las­sung ihres Mannes. Am 11. Januar 1945 wird er vom „Volks­ge­richts­hof“ zum Tode ver­ur­teilt und am  23. Januar 1945 in Berlin-Plötzensee er­mor­det.

Freya von Moltkes Einsatz inner­halb der Wider­stands­gruppe bleibt der Gestapo ver­borgen. Sie über­lebt das Kriegs­ende und ver­lässt mit ihren Söhnen Kreisau und wandert im Januar 1947 nach Süd­afrika aus. Auf­grund der Apart­heid im Land, kehrt sie mit ihren Söhnen 1956 nach West-Berlin zu­rück. Später enga­giert sich Freya von Moltke viel­fältig für die deutsch-polnische Aus­söh­nung.