David nació y se crió en Nueva York. Estudió en la Universidad de Princenton, donde durante una temporada ejerció como escolta en el equipo de baloncesto del centro, recibió su Máster en literatura inglesa por la Universidad de Yale, y estaba en camino de obtener su título de doctor cuando le asaltó el gusano de la interpretación.

Posteriormente, David Duchovny emergió como uno de los actores más reconocidos de Hollywood. Protagonista de la más que célebre serie de monstruos de Fox Televisión, Expediente X (The X-Files, 1993), fue nominado para el Emmy al Mejor actor en serie dramática, y también fue nominado como Mejor actor invitado en serie cómica por sus, algunos opinan, arriesgadas aunque aplaudidas apariciones en el célebre The Larry Sanders Show (episodiso de 1995, 96 y 98). En enero de 1997, David logró el Globo de Oro al Mejor actor en serie dramática. Ha sido nominado para un total de tres Globos de Oro, tres premios de la Screen Actors Guild, y un premio de los críticos televisivos al Mejor actor en serie dramática. Tanto la prensa como el público están de acuerdo en que Duchovny aporta un intelecto vivo, una intensidad serena y un ingenio áspero a los papeles que encarna tanto en la pequeña como en la gran pantalla.

Desde que Expediente X comenzó, millones y millones de autoproclamados seguidores de la serie ocupaban las noches de los domingos con los ojos bien abiertos, ansiosos por ver a su héroe, Fox Mulder (Duchovny), el brillante y taciturno agente del FBI, explorando casos considerados increíbles o irresolubles por parte del Bureau. La remarcable interpretación de Duchovny en Expediente X le valió el título de “Icono de la época” por parte de Laura Jacobs en The New Republic, y "El primer sex symbol en Internet con cabello” por parte de Maureen Dowd en The New York Times.
Duchovny sumó a sus ya numerosas ocupaciones la de director cinematográfico cuando escribió, dirigió, y protagonizó dos episodios de Expediente X muy reconocidos por la crítica titulados The Unnatural, donde aparecía como protagonista Jessie Martin, y Hollywood A.D., con Garry Shandling y la actriz Téa Leoni.

La pasión del actor por los filmes contestatarios le ha significado el reconocimiento de la crítica por la interpretación en el largometraje Kalifornia (Kalifornia, 1993), donde es protagonista al lado de Brad Pitt y Juliette Lewis; El despertar de Sharon (The Rapture, 1991), un film controvertido de Michael Tolkin que el actor protagoniza junto a Mimi Rogers; y Julia tiene dos amantes (Julia Has Two Lovers, 1991), en la que libra una interpretación indicativa de su potencial encarnando a un timador al teléfono. Duchovny dio vida a Roland "Rollie" Totheroh, confidente y operador de cámara de Charlie Chaplin durante mucho tiempo, en Chaplin (Chaplin, 1992), bajo dirección de Sir Richard Attenborough, donde Robert Downey encarnaba a Chaplin; y fue el protagonista en el atronador éxito Beethoven: Uno más de la familia (Beethoven, 1992), siendo oponente Charles Grodin; Duchovny aquí es el yuppie malintencionado decidido a hacerse con la compañía de Grodin.

Entre los títulos en el haber del actor cabe citar la comedia de acción Evolution (Evolution, 2001), con Julianne Moore y dirección de Ivan Reitman (célebre por Los cazafantasmas (Ghostbuster, 1984)); la comedia romántica Hechizo del corazón (Return to Me, 2000), junto a Minnie Driver, y dirección de Bonnie Hunt; Expediente X (The X-Files: The Movie, 1998), dirigida por Rob Bowman; y un film de Touchstone film: Jugando con la muerte (Playing God, 1997), con Timothy Hutton y Angelina Jolie, un thriller de acción dirigido por Andy Wilson (ganador del Cable Ace por Cracker (1993)). Duchovny ha intervenido en Zoolander: Un descerebrado de moda (Zoolander, 2001), de Ben Stiller, con un cameo absolutamente hilarante.

Todavía recordado y reconocido como Dennis/Denise Bryson, el detective travestí en la vanguardista serie televisiva de David Lynch, Twin Peaks (Twin Peaks, 1990), el actor también ha dedicado cuatro temporadas como desapasionado narrador de la serie de antología erótica de Zalman King, The Red Shoe Diaries (1992), que empezó como un telefilm largo para Showtime.

En 2002, fue protagonista en la comedia de conjunto de Miramax, Full Frontal (Full Frontal, 2002), para el director Steven Soderbergh, junto a Julia Roberts, George Clooney, y David Hyde Pierce.

Duchovny efectúa breves retornos a la televisión, para el show de su buen amigo Bonnie Hunt, Life With Bonnie, en el que fue protagonista invitado encarnando a la superestrella del pronóstico meteorológico Johnny Volcano. El actor apareció en dos ocasiones durante la temporada 2002-2003, y fue nominado para el Emmy de 2003. A esto siguió una memorable aparición en Sexo en Nueva York (Sex And The City, episodio en 2003), dando vida a un examante de Carrie Bradshaw, quien encarna Sarah Jessica Parkers. Últimamente, Duchovny participó en la comedia de Universal/Spyglass, Connie & Carla Do L.A. (2004), dirigida por Michael Lembeck, junto a Nia Vardalos y Toni Collette.

Su primer largometraje, Delitos menores (House of D, 2004), se estrenó no hace mucho. En este cinta, el actor ha ejercido como guionista, director, y actor en lo que es una historia iniciática enmarcada en el Nueva York en la década de los 70. Junto a él, también son protagonistas Robin Williams, Téa Leoni, y Erica Badu. Duchovny acaba de finalizar como protagonista el film de Vincent Pérez, The Secret (2006), producido por Luc Besson.

El actor está casado con la actriz Téa Leoni; tienen una hija y un hijo.