Гельфрейх родился 12 (24) марта 1885 г. в Петербурге в семье государственного служащего. В раннем детстве он с увлечением рисует и лепит; окончив реальное училище, стремится поступить в Академию художеств. После двух лет занятий в частной рисовальной школе юноша становится в 1906 г. студентом архитектурного класса Высшего художественного училища при Академии художеств, который с отличием оканчивает в 1914 г., выполнив под руководством Л. Н. Бенуа дипломный проект здания Государственного совета.
Имя Гельфрейха неразрывно связано с именем В. А. Щуко, в мастерской которого он начал работать в 1911 г., еще будучи студентом. 33-летний академик архитектуры, Щуко находился тогда в апогее славы; встреча с ним оказала решающее влияние на творческий путь Гельфрейха. Щуко разглядел в своем сотруднике талантливого, многообещающего архитектора. В молодом человеке его привлекали тонкий художественный вкус, верное чувство пропорций, дарование рисовальщика и живописца, способность решать практические задачи. Так зародилось их замечательное содружество, продолжавшееся вплоть до смерти Щуко, последовавшей в 1939 г.
1920-е и 1930-е гг. были для Щуко и Гельфрейха периодом напряженных творческих исканий. Продолжая начатую ими ранее линию творческого претворения наследия русского классицизма и итальянского ренессанса, они в то же время испытали и сильное влияние новой архитектуры, выполнив ряд работ в духе конструктивизма. В целом же они шли своим особым путем, сочетая приемы функционализма и конструктивизма со своеобразным современным толкованием классики. Характерной для них чертой было широкое использование изобразительных искусств, и главным образом монументальной скульптуры. Обычно они продумывали не только общий прием включения скульптуры в композицию, но и непосредственно участвовали в выработке пластического решения. Проблему создания синтетического идейно-художественного образа Щуко и Гельфрейх разрешали с огромным мастерством, задумывая, быть может, иногда спорные по своей стилевой характеристике, но всегда сильные, эмоционально насыщенные произведения.
Список совместных работ Щуко и Гельфрейха очень велик. Он включает разнообразные сооружения, от крупнейших общественных и промышленных зданий до выставочных павильонов и монументов. Более 20 лет их имена звучали как неразрывное целое. Так они и вошли в историю советской архитектуры — Щуко и Гельфрейх... И в памяти всплывают такие произведения, как пропилеи Смольного и памятник В. И. Ленину у Финляндского вокзала в Ленинграде, театр в Ростове-на-Дону, здание Государственной библиотеки СССР имени В. И. Ленина и Большой Каменный мост в Москве. (Подробнее об этих сооружениях см. в статье о В. А. Щуко.) Эти сооружения стали заметными вехами на пути становления социалистического зодчества.
Работая вдвоем, Щуко и Гельфрейх не замыкались в своем творческом дуэте, а находились в окружении архитектурной молодежи. В течение многих лет они преподавали в Академии художеств, и немало зодчих обязано им своим профессиональным мастерством.
Большое место в деятельности Щуко и Гельфрейха занимало проектирование Дворца Советов. Оно сыграло особую роль, не только изменив во многом весь их жизненный уклад, но и определив дальнейшую судьбу их ближайшего творческого окружения. В 1933— 1934 гг. оба мастера участвовали в первом и втором закрытых конкурсах на проект Дворца, в результате которых проектирование сооружения было поручено В. Г. Гельфрейху, Б. М. Иофану и В. А. Щуко. В связи с этим Щуко и Гельфрейх переезжают на постоянное жительство в Москву, навсегда распрощавшись с Ленинградом. Переехали с ними и их ближайшие помощники — П. В. Абросимов, А. П. Великанов, Л. М. Поляков, И. Е. Рожин, А. Ф. Хряков, Ю. В. Щуко и некоторые другие.
Отдавая в предвоенные годы основные силы Дворцу Советов, Щуко и Гельфрейх продолжали вести привычную для них разностороннюю творческую жизнь, связанную с решением и других архитектурных задач. Как и прежде, они с увлечением участвовали в конкурсах, проектировали и строили крупные здания и сооружения. К этому времени относятся конкурсные проекты театра в Ашхабаде, здания Наркомтяжпрома и Дома Наркомюста в Москве, павильона СССР на Международной выставке 1937 г. в Париже, панорамы «Штурм Перекопа». По их проектам в 1930-е гг. воздвигнуты Большой Каменный мост в Москве и виадук в Сочи, Главный павильон на ВСХВ 1939 г.
Послевоенный период творчества Гельфрейха ознаменовался переходом к архитектурным темам широкого градостроительного плана. Мастер включается в работу над восстановлением и реконструкцией городов и в 1944—1945 гг. совместно с Ю. В. Щуко выполняет проект восстановления и реконструкции Ржева, а совместно с Л. П. Великановым, И. Е. Рожиным, Ю. В. Щуко — форпроект центра Сталинграда, участвует в конкурсе на проект восстановления и реконструкции Крещатика в Киеве, в 1945—1947 гг. совместно с В. А. Гайковичем и Ю. В. Щуко разрабатывает проект центра города Орла.