Sein größter Erfolg ist der Gewinn der Goldmedaille in der Verfolgung bei den Olympischen Winterspielen 2006 in Turin. Im Zielsprint konnte sich Defrasne gegen den favorisierten Titelverteidiger Ole Einar Bjørndalen durchsetzen. Mit der französischen Staffel errang er zudem die Bronzemedaille. Bei den Biathlon-Weltmeisterschaften 2007 in Antholz gewann Defrasne die Silbermedaille in der Mixed-Staffel sowie Bronze in der Verfolgung. Zwei Jahre später gewann er bei den Biathlon-Weltmeisterschaften 2009 im südkoreanischen Pyeongchang die Goldmedaille mit der Mixed-Staffel.