David Duchovny rođen je 7. kolovoza 1960. u New Yorku. Otac Amram bio je američki Židov, a majka Margaret škotskog podrijetla. Već je od najranije dobi pokazivao iznimnu nadarenost za učenje. Studirao je englesku književnost na Sveučilištu Princeton, a potom je na Sveučilištu Yale stekao magisterij iz istog područja. Započeo je i doktorski studij, no nikada ga nije dovršio.
Vjerojatno je strast prema glumi označila kraj njegove akademske karijere. Na filmskom platnu debitirao je 1988. godine kratkim pojavljivanjem kao gost na zabavi u filmu "Working Girl" s Melanie Griffith. Nakon toga počeo je dobivati sve više uloga, a najviše je tumačio šarmantne zavodnike.
Prvi veći televizijski uspjeh ostvario je 1990. godine u kultnoj seriji "Twin Peaks" Davida Lyncha, gdje je utjelovio transrodnu agenticu FBI-ja Denise Bryson. Uslijedila je glavna uloga u televizijskom serijalu "The Red Shoe Diaries". Iako je 1993. godine ostvario zapaženu sporednu ulogu u filmu "Kalifornia" uz tadašnje zvijezde u usponu Brada Pitta i Juliette Lewis, najveći uspjeh tek je bio pred njim.
Iste godine serija "Dosjei X" postala je neočekivani svjetski hit i Duchovnyja pretvorila u jednu od najvećih televizijskih zvijezda. U ulozi agenta FBI-ja Foxa Muldera, čovjeka opsjednutog istraživanjem paranormalnih pojava nakon što mu je u djetinjstvu sestru navodno otela izvanzemaljska sila, sjajno je spojio suzdržanu duhovitost, inteligenciju i emocionalnu dubinu. Njegova nenametljiva, ali snažna interpretacija, prožeta tihom karizmom, osvojila je milijune gledatelja diljem svijeta.
"Dosjei X" emitirali su se ukupno devet sezona, iznjedrili su dva dugometražna filma, a serija je doživjela i uspješan povratak u razdoblju od 2016. do 2018. godine.
Nakon završetka izvorne serije 2002., Duchovny je novu veliku televizijsku ulogu ostvario u humorističnoj dramskoj seriji "Californication", koja se prikazivala od 2007. do 2014. godine. U međuvremenu je nastupio i u brojnim filmovima, među kojima se izdvajaju "The Joneses", "Louder Than Words" i "You People". Osim glume, posvetio se i glazbi te je objavio tri studijska albuma, "Hell or Highwater", "Every Third Thought" i "Gestureland".
Na vrhuncu slave koju su mu donijeli "Dosjei X" upoznao je glumicu Téu Leoni, s kojom se zaljubio i vjenčao 6. svibnja 1997. godine u dvorištu njujorške crkve Grace Church, gdje je njegova majka bila zaposlena. U braku su dobili dvoje djece, kćer Madelaine West, rođenu 1999. godine, i sina Kyda Millera, rođenog tri godine poslije.
- Nema ničeg lošeg u tome da prihvatimo svu raznolikost i bogatstvo životnog iskustva. Ne možeš upravljati svojim umom, a zašto bi uopće to želio? Ne treba osjećati krivnju zato što si živ, zato što si muškarac ili zato što te netko privlači. Jedino nad čime doista imaš kontrolu jesu tvoji vlastiti postupci - komentirao je Duchovny u intervjuu za Best Life još 2008. godine.
Supružnici su se razdvojili 2008. godine, kada je Duchovny od kolovoza do listopada iste godine potražio stručnu pomoć zbog ovisnosti o seksu. Pomirili su se 2009., no ponovno su se razišli 2011., a razvod su službeno okončali 2014. godine. Godine 2017. započeo je vezu s Monique Pendleberry, a par se vjenčao prošle godine.