После расторжения брака с первой женой в 1964 году, Заппа переехал в студию звукозаписи Pal, где начал регулярно работать по 12 и более часов в сутки, экспериментируя с overdubbing и reel-to-reel audio tape recording, эти приёмы и их аналоги Заппа использовал на протяжении всей карьеры. Получив доход от композиций к кинофильмам, Заппа арендовал старую студию Баффа, работавшего уже на другом лейбле — Original Sound, вместе с Art Laboe. Позже студия получила название Studio Z, она редко сдавалась в аренду другим музыкантам, поэтому в неё переехали некоторые друзья Заппы, в частности Джеймс «Motorhead» Шервуд. Заппа начал выступать в качестве гитариста в пауер-трио под названием The Muthers для того, чтобы получить какие-либо средства на существование.

В 1965 году в местной газете вышла статья, описавшая Заппу как «короля фильмов из Кукамонго», это вызвало подозрения у полиции, посчитавшей, что Заппа снимает порнографические фильмы. В марте 1965 года к Заппе обратился тайный полицейский с предложением за вознаграждение в 100 долларов записать звуковую дорожку к порнофильму, Заппа предложение принял, и записал с подругой эротическую сцену. При передаче ленты с аудиозаписью его сразу же арестовали, а все записи из студии конфисковали. Пресса к этому событию была заранее подготовлена, написав на следующий день в газете Daily Report о событии как об аресте продюсера порнофильмов и ликвидации киностудии. За распространение порнографии музыкант был приговорен к шести месяцам тюремного заключения, однако не прошло и десяти дней, как его освободили. Это короткое тюремное заключение сыграло ключевую роль в формировании негативной оценки авторитаризма. Во время судебного процесса Заппа потерял несколько записей, сделанных в Studio Z, так как полиция вернула только тридцать часов плёнки из восьмидесяти. В конечном счёте, Заппа уже не мог позволить себе платить за аренду студии и был отстранён от записи. Впоследствии удалось вернуть ещё часть записей, но в 1966 году здание студии было снесено.

Период The Mothers of Invention (1964—1975)

В 1965 году вокалист малоизвестной группы The Soul Giants Рэй Коллинз пригласил Заппу вместо ушедшего гитариста. Заппа согласился, быстро став лидером группы: убедил музыкантов играть именно его материал, переименовал группу в The Mothers of Invention. В 1966 году группе при финансировании Тома Уилсона записала на лейбле Verve Records первый альбом — Freak Out!, получивший определённое признание (30 тыс. экземпляров, в 1967 году поднимался в чарте Billboard 200 до 130-й позиции).

Во время записи Freak Out! Заппа переехал в новый дом в лос-анджелесском районе Laurel Canyon, Los Angeles. В этом доме вначале он жил с Памелой Зарубикой (Pamela Zarubica), которая озвучивала на альбомах We’re Only in It for the Money и Uncle Meat персонаж Suzy Creamcheese2004, этот дом стал местом встречи и жизни для многих музыкантов Лос-Анджелеса и групи того времени, хотя Заппа неодобрительно относился к употреблению гостями наркотиков. Наркоманов Заппа уничижительно называл «assholes in action», хоть и пробовал марихуану несколько раз безо всякого удовольствия. В то же время Заппа был заядлым курильщиком бо́льшую часть своей жизни и неоднократно критиковал антитабачные кампании.

В 1966 году после короткого промо-тура в поддержку Freak Out! Заппа встретил Аделаиду Гейл Слоатмен1989, летом она переехала к нему в дом, а в 1967 году они поженились1989, Фрэнк Заппа и Гейл Заппа вместе прожили вплоть до кончины Заппы в 1993 году, вместе воспитав четверых детей.