Frank studerte matematikk og teoretisk fysikk ved statsuniversitetet i Moskva. Fra og med hans andre år der jobbet han med Sergej Vavilov, som fungerte som Franks mentor. Etter han ble uteksaminert i 1930, og etter anbefaling fra Vavilov begynte han å jobbe hos statens optiske institutt i Leningrad. Der skrev han sitt første verk sammen med Vavilov. Dette arbeidet la grunnlaget for doktoravhandlingen hans i 1935.