Frei stilte i 2009 igjen til presidentvalg, som kandidat for sentrum-venstrekoalisjonen Concertación de Partidos por la Democracia (Samling av partier for demokratiet). I første valgomgang fikk Frei nest flest stemmer og gikk videre til andre valgomgang, som ble avholdet 17. januar 2010. Han møtte da sentrum-høyrekandidaten Sebastián Piñera. Resultater offentliggjort av Chiles valgkommisjon etter andre valgomgang ga Piñera 51,61 % av stemmene, med 48,38 % til Frei (99 % av stemmene opptalt). Allerede på bakgrunn av de foreløpige resultatene, basert på opptelling av 60 % av stemmene, innrømmet Frei nederlaget og gratulerte Piñera med valgseieren. Det er første gang siden overgangen til demokrati i 1990 at høyresiden vinner et presidentvalg i Chile.