Frank Helmenstein wurde am 13. April 1965 in Ründeroth geboren.

Nach dem Abitur studierte er an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Rechtswissenschaften und schloss sein Studium 1992 mit dem ersten juristischen Staatsexamen ab. Seine Referendarzeit absolvierte Helmenstein im juristischen Vorbereitungsdienst des Landes Nordrhein-Westfalen und legte 1994 das zweite juristische Staatsexamen ab. Danach arbeitete er zunächst in einer Anwaltskanzlei. Vom 1. April 1996 bis zum 17. Oktober 2004 war er bei der Stadt Halle (Saale) tätig, zuletzt als Stadtverwaltungsdirektor.

Helmenstein trat 1980 erst in die Junge Union Deutschlands (JU), 1983 dann auch in die CDU ein.

Zur Bürgermeisterwahl 2004 in Gummersbach trat er als Kandidat der CDU an und gewann die Stichwahl mit 57,37 % der abgegebenen Stimmen. 2009 erreichte er 69,04 % der abgegebenen Stimmen, bei der vorgezogenen Bürgermeisterwahl 2014 setzte sich Helmenstein im ersten Wahlgang mit 58,21 % der abgegebenen Stimmen gegen zwei Mitbewerber durch.

Helmenstein ist verheiratet und hat zwei Kinder.