미국 몬태나주 미줄라에서 태어났다. 산림청 소속 연구과학자인 아버지와 함께 숲에 자주 가면서 유년 시절을 보냈다. 고등학교를 졸업한 후 미술을 공부하려고 코코란 미술학교, 보스턴 뮤지엄 스쿨을 다니지만 곧 자퇴하고, 펜실베이니아 미술 아카데미에 다시 입학했다. 재학 중에 만든 자신의 첫 애니메이션 단편 [병에 걸린 여섯 남자]로 학교가 주최한 미술 대회에서 수상했다.

1970년에는 미국영화연구소 고급영화연구센터에 입학해서 다양한 직업을 전전하며 1971~76년 첫 장편 [이레이저 헤드] 제작에 몰두했다. [이레이저 헤드]는 입소문을 타고 컬트적인 인기를 얻었고, 이를 눈여겨본 영화 제작자 멜 브룩스와 손을 잡고 [엘리펀트 맨] (1980)을 연출했다. 이 작품으로 아카데미시상식 감독상, 각본상, 각색상 등 후보에 올랐다. 1984년에는 SF소설 원작의 [사구]를 공개하지만 비평과 흥행에서 모두 실패를 맛봤다. 1986년에 연출한 [블루 벨벳]은 전미비평가협회에 의해 최우수작품에 선정됐다. 이후 TV 드라마로 눈을 돌려 [트윈 픽스] 시리즈를 공개하고 대중의 열광적인 반응을 얻었다. 1990년에는 [광란의 사랑]으로 칸영화제 황금종려상을 수상했다.

1999년에는 실화를 바탕으로 한 [스트레이트 스토리]를 연출하고, 원래 TV 시리즈로 제작하려던 [멀홀랜드 드라이브] (2000)를 장편영화로 연출했다. 이 작품으로 칸영화제 감독상을 수상했다. 이후 애니메이션, 실험적인 동영상 등을 선보이는 구독 기반 웹사이트 davidlynch.com을 런칭했고, 2006년에는 [인랜드 엠파이어]를 공개했다. 독자적 영화 세계를 구축한 그는 예술적 성취를 인정받아 레종도뇌르 훈장과 베니스영화제 황금사자상 평생공로상, 아카데미 평생공로상을 받았다.