David William Duchovny se narodil 7. srpna 1960 v New Yorku jako druhé dítě spisovatele a učitelky. Otec, který pracoval i jako novinář, pocházel z ruské židovské rodiny, matka měla skotské kořeny. Má bratra Daniela a sestru Laurie.
Rodiče se rozvedli, když mu bylo 11 let, a David zůstal s matkou v New Yorku. Na prestižní soukromé univerzitě vystudoval anglickou literaturu. Další studia ale musel kvůli nedostatku peněz přerušit a při shánění financí se mimo jiné dostal i k natáčení reklam. Práce před kamerou ho natolik zaujala, že na studia postupně zapomněl a pustil se do herectví.
V Hollywoodu debutoval v úspěšném filmu Podnikavá dívka (1988), ovšem pouze v epizodní roličce. Zahrál si také transvestitu v seriálu Twin Peaks a byl vypravěčem v erotickém seriálu Deníky červených střevíčků. První větší role i úspěchy přišly s thrillery Ruce od krve (1997) a Kalifornie (1993).
Doposud životní roli však Duchovnymu nabídla televizní obrazovka. Na začátku roku 1993 byl obsazen do postavy agenta FBI Foxe Muldera v seriálu Akta X. Dychtivý hledač pravdy, který se ve své cestě za zkoumáním paranormálních jevů dostává až ke světovému spiknutí, získal obrovskou diváckou oblibu a Akta X se stala jedním milníků v historii televizní zábavy.
Natáčení trvalo až do roku 2002 a přes zákonitý pokles kvality si seriál udržel poměrně vysoký standard. Časově náročná práce však herce postupně stále více zatěžovala, bránila jim v jiných projektech a projevila se i ponorková nemoc. Duchovny nakonec v roce 2001 oznámil svůj odchod. Ke své nejslavnější postavě se pak ještě vrátil ve dvou filmových zpracováních Akt X.
V Hollywoodu poté dostal Duchovny kromě několika vedlejších úloh i hlavní role ve sci-fi Evoluce (2001) a romantické komedii Vrať se mi (2000). Jeho osobním úspěchem byl snímek Nezapomenutelné dětství(2004), který sám napsal a zrežíroval a v němž si mimo jiné zahrál i Robin Williams. Úspěch ale prý není pro Duchovnyho to hlavní: "Když přijímám roli, nezabývám se tím, jestli to bude hit, nebo propadák, prostě mě zaujme, tak se do ní vrhnu."
Filmová kariéra Davida Duchovnyho sice na rozdíl od řady seriálových hvězdiček není zcela nevýznamná, nejlépe se mu však přeci jen daří v televizi. Dokazuje to i seriál Californication, jehož už čtvrtá řada se připravuje na příští rok. Duchovny si v něm neodolatelným způsobem zahrál zhýralého Hanka Moodyho, autora úspěšné knihy Bůh nás všechny nenávidí. Momentálně je ale bez inspirace, vyhaslý, přítelkyně s dcerou se odstěhovaly a on se realizuje v pití a v nezávazném sexu.
Scenárista Tom Kapinos komentoval jeho obsazení slovy: "Chtěl jsem vytvořit antihrdinu. Někoho, jako byl třeba v sedmdesátých letech Jack Nicholson nebo Warren Beatty. Někoho sympatického, ale potenciálně nebezpečného sobě i svému okolí." To se mu bezesporu podařilo a kromě diváckého ohlasu získal Duchovny za Californication v lednu 2008 Zlatý glóbus pro nejlepšího herce v televizní komedii.
Jako asi nepříliš chtěná reklama na seriál působí i aférka okolo Duchovnyho pobytu v léčebném programu, který ho měl v roce 2008 zbavit závislosti na sexu, konkrétně internetové pornografii. Poté se dokonce rozešel se svou manželkou Téou Leoniovou, s níž žije od roku 1997 a mají spolu dceru Madelaine a syna Kyda. Jejich manželství přitom bylo dlouhá léta navzdory pověstem o Duchovnyho sukničkářství navenek téměř idylické. Rozvedeni však stále nejsou a občas se mluví o tom, že by se k sobě mohli vrátit.
