儿时的大卫·林奇志向是做一个书画刻印艺术家，由于家庭的不断搬迁，他从小在太平洋西北部沿岸几个州长大，最终成为了“鹰级童子军”中的一员，并在肯尼迪总统的就职典礼上客串过领座员。1963年，进入了华盛顿特区的科科伦艺术学院，师从于表现派画家奥斯卡·科科施卡，并赴欧洲进行短期的留学。
1966年初，大卫·林奇回到了费城，进入宾夕法尼亚美术学院就读，并开始尝试制作影片。1967年，执导个人首部短片《六个苍白的人影》。
1968年，执导彩色短片《字母》，他凭借该短片获得了美国电影协会的奖学金，但是他不久就离开了电影界，继续专注于他的美术学业。1970年，执导剧情短片《祖母》，之后进入美国电影学会研读电影研究。1974年，自编自导自演短片《被截肢者》。
1977年，大卫·林奇根据自己动荡的生活以及费城贫民区生活给他的启发，执导了恐怖电影《橡皮头》，他从一个父亲的角度，以现实主义的手法，表现出了他对社会黑暗面的恐惧和焦虑，但因人手不足他还担任了该片的制作人、剪辑师、配乐、艺术指导、美术设计等工作，这是林奇执导的个人第一部长片。
1980年，自编自导剧情传记电影《象人》，他凭借该片入围第53届奥斯卡金像奖最佳导演奖、第38届美国金球奖最佳导演奖，该片入围第53届奥斯卡金像奖最佳改编剧本奖；4月25日，参演的剧情电影《唤风者》上映。
1984年，自编自导科幻动作电影《沙丘》，该片入围第12届土星奖最佳科幻电影奖。1986年，执导由伊莎贝拉·罗塞里尼、凯尔·麦克拉克伦共同主演的惊悚电影《蓝丝绒》，他凭借该片入围第59届奥斯卡金像奖最佳导演奖。
1990年，自编自导犯罪悬疑剧《双峰》，并在其中饰演联邦调查局工作人员，他凭借该剧入围第42届艾美奖剧情类剧集最佳导演奖、最佳编剧奖；同年，自编自导爱情喜剧电影《我心狂野》，该片获得第43届戛纳电影节金棕榈奖。
1992年，自编自导奇幻恐怖电影《双峰：与火同行》，该片入围第45届戛纳电影节主竞赛单元，他凭借该片入围第19届土星奖最佳编剧奖；10月，担任制作人的传记纪录片《休·海夫纳：情色大王的青涩时代》上映。1994年，担任传记纪录片《漫画大师罗伯特·克鲁伯》的制作人；同年，参演纪录片《Don Van Vliet: Some YoYo Stuff》。
1996年，由其出镜的纪录片《卢米埃与四十大导》上映。1997年，自编自导自演恐怖电影《妖夜慌踪》。1999年，执导以自真人真事改编的传记片《史崔特先生的故事》，他凭借该片入围第52届戛纳电影节主竞赛单元，获得第12届欧洲电影奖环球银幕奖。
2001年，自编自导悬疑电影《穆赫兰道》，该片完全不遵守传统电影的叙事结构和内在逻辑，摄影、美工、音乐等均微妙地暗示着多层梦境的可能性，他凭借该片入围第74届奥斯卡金像奖最佳导演奖，获得第54届戛纳电影节的最佳导演奖。
2002年4月12日，执导的剧情短片《黑暗的房间》上映；6月1日；执导的动画纪录片《大卫·林奇短片集》上映；同年，执导剧情短片《兔子》；此外， 还执导了动画短片《哑巴乐园》。2004年，在纪录片《Épreuves d'artistes》中出镜。2005年，在纪录片《B级电影史》中出镜。
2006年，自编自导悬疑电影《内陆帝国》，但林奇在开始计划这部电影的时候没有写任何剧本，他是在拍摄每一段场景之前临阵磨枪写完的，该片获得第63届威尼斯电影节未来数字电影奖；同年，获得第63届威尼斯电影节终身成就金狮奖。
2007年，与多位导演联合执导为纪念戛纳电影节60周年的剧情电影《每个人都有他自己的电影》；5月20日，执导的短片《Absurda》上映；6月23日，在纪录片《大卫·林奇和他的影像世界》中出镜。
2008年，担任惊悚悬疑电影《监视》的制作人。2009年，担任剧情电影《儿子，你都干了什么》的制作人，该片由沃纳·赫尔佐格执导；同年，与贝纳尔多·贝托鲁奇、凯瑟琳·布雷亚联合在纪录片《伟大的导演们》中出镜；此外，还执导了奇幻短片《42 One Dream Rush》。
2010年5月6日，出镜的纪录片《想飞的大卫》上映；5月16日，执导的爱情短片《Lady Blue Shanghai》上映；5月17日，出镜的纪录片《戛纳电影节主席吉尔斯·雅各布》上映；10月15日，参演的动画纪录片《2012：改变时刻》上映。
2011年，由其执导的短片《The 3 Rs》上映；同年，执导动画短片《我碰了红色按钮》。2012年，在纪录片《阴阳相成》中出镜；同年，与维姆·文德斯共同在纪录片《哈利·戴恩·斯坦通：半是虚构》中出镜；此外， 还自编自导了纪录片《冥想, 创造, 和平》 。
2013年，执导剧情短片《伊甸巴黎》。2015年，在纪录片《Brand: A Second Coming》中出镜；同年，参演纪录片《重访蓝丝绒》。2016年，在纪录片《大卫·林奇：艺术人生》中出镜。2017年9月29日，由其参演的剧情电影《老幸运》上映；同年，与娜塔莎·雷昂、鲍勃·奥登科克联合为喜剧电影《女友日》配音；此外，还执导了犯罪悬疑剧《双峰第三季》。
2019年10月，大卫·林奇获得第92届奥斯卡金像奖终身成就奖。2020年5月，由其自编自导的动画短片《火》发布，该片全程无台词。
