Se educó en escuelas públicas de Youngstown, Ohio. Más tarde asistió al Colegio de Wooster donde en 1944 obtuvo una licenciatura en química. Tras graduarse, comenzó a trabajar en los Laboratorios Miles como química de control, para probar los ingredientes para una línea de vitaminas de la empresa.
Dos años más tarde, pudo realizar su sueño de ser investigadora al entrar en el equipo del químico y profesor Afred Free (1913-2000) que estaba al frente de una nueva investigación bioquímica.
Helen y Alfred tuvieron una larga relación personal y profesional: compartieron no solo el trabajo sino que se casaron en 1947 y tuvieron seis hijos. En el laboratorio, Helen investigó los ensayos de antibióticos antes de pasar a los sistemas de prueba de reactivos secos. No había suficientes pruebas de medición para saber la composición química de la orina de un paciente, así como de otras enfermedades renales y hepáticas.
En un trabajo exhaustivo, con mucha dedicación, Helen desarrolló mejoras en las pruebas con tabletas que ya estaban, para detectar niveles anormales de glucosa y proteínas en la orina; más tarde, junto a su esposo, logró trasladar esas tabletas en tiras de prueba de diagnóstico. En 1956 esta científica inventó las primeras tiras reactivas colorimétricas de inmersión con el nombre de Clinistix, para hacer un análisis rápido y preciso al revelar la presencia de glucosa en la orina del paciente. Son unas tiras de pocos milímetros de ancho, impregnadas de sustancias químicas que cambian de color en función de la concentración de glucosa.
Helen Murray Free es conocida como pionera en química de diagnóstico. Posteriormente, junto a Alfred ideó un método para combinar varias pruebas en una sola tira y así proporcionar a los profesionales de la salud herramientas simples e inmediatas para ayudar a diagnosticar la hepatitis A, enfermedades del riñón e infecciones urinarias, al igual que a detectar embarazos. A partir de 1981 estas tiras reactivas son usadas en todo el mundo.
En 1969 Helen pasó al Departamento de Crecimiento y Desarrollo donde se convirtió años después, en 1976, en Directora de Sistema de Pruebas Especializadas. Ha obtenido siete patentes por sus mejoras en las pruebas médicas y clínicas de análisis de orina.
En 1978 obtuvo una maestría en Administración de Atención Médica por la Universidad Central de Michigan. Fue profesora adjunto de administración en la Universidad de Indiana en South Bend. Ese mismo año, cuando Bayer adquirió los Laboratorios Miles, Helen fue Directora de Servicios de Marketing para los Productos de Investigación, siendo la primera científica en alcanzar un nivel ejecutivo. Ella y su esposo fueron coautores de dos libros sobre análisis de orina; han trabajado juntos como equipo de investigación durante más de 50 años.
Helen se jubiló como científica clínica en 1982 aunque continuó como consultora en la División de Diagnóstico de Bayer, en Indiana. Se ha mantenido activa como promotora de la educación científica y la divulgación, dedicando atención a las mujeres y a estudiantes desfavorecidos.
Por su larga y fructífera trayectoria ha recibido numerosos premios y distinciones: Premio Honor Scroll (1967), Premio de Logro Profesional (1976), Medalla Garvan (1980), Premio Kilby (1996), la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación (2010), entre otros. En 1993 se desempeñó como presidente de la Sociedad Americana de Química. En 2000, poco después de la muerte de Alfred (a los 87 años), fueron incluidos en el Salón de la Fama de los Inventores de Estados Unidos.
En 2010 la Sociedad Americana de Química designó el desarrollo de tiras de diagnóstico como Monumento Histórico Químico Nacional. En 2011 Helen Murray Free ingresó al Salón de la Fama de la Mujer.
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Helen Murray Free falleció en el año 2021.