A brit-ír állampolgárságú színész 1957. április 29-én született Londonban a koszorús költő Cecil Day-Lewis és Jill Balcon színésznő gyermekeként. Anyai nagyapja, Sir Michael Balcon a világ leghosszabb ideje folyamatosan működő stúdiója, az Ealing Stúdió vezetője volt, nővére dokumentumfilmesként, ételkritikusként vált ismertté. A nyughatatlan Daniel több iskolát is kipróbált, köztük egy előkelő tanintézetet Kentben, de folyamatosan összetűzésbe került tanáraival. Tizenhárom évesen otthagyta az iskolát és addig ügyeskedett, míg epizódszerephez jutott John Schlesinger Átkozott vasárnap című filmjében. A forgatás alatt beleszeretett a színészetbe és beiratkozott az egyik legismertebb brit színiiskolába. A színpadon az Old Vic mellett a Royal Shakespeare Company porondján Antony Hopkins és Sir Laurence Olivier társaságában játszott.

Kisebb tévésorozatok után 1982-ben bukkant fel újra a mozivásznon a Gandhi című filmeposz mellékszereplőjeként. A figyelmet az Én szép kis mosodám, majd a Szoba kilátással című filmekkel hívta fel magára: az ugyanazon a napon bemutatott két alkotásban két teljesen különböző karaktert játszott. 1987-ben Philip Kaufman rendezőtől megkapta a Milan Kundera regénye alapján készült A lét elviselhetetlen könnyűsége című film főszerepét. A szerep iránti teljes elkötelezettségét mutatja, hogy a nyolc hónap alatt elsajátította a cseh nyelvet és a forgatáson kívül sem volt hajlandó kiszállni a neves prágai agysebész, Tomas szerepéből. Még ezt az alakítását is felülmúlta a Jim Sheridan rendezte A bal lábam című filmben, 1989-ben ezért a szerepért vehette át első alkalommal a legjobb férfi főszereplőnek járó Oscar-díjat. Lenyűgöző hitelességgel formálta meg a gyógyíthatatlan, mozgássérült Christy Brownt, a szerepre készülve gyakran látogatott meg mozgássérülteket, köztük olyanokat, akik egyáltalán nem tudtak beszélni. A felvételek közötti szüneteket kerekesszékben töltötte és elvárta kollégáitól, hogy minden helyzetben valódi mozgáskorlátozottként kezeljék.

Ezután még eljátszotta Hamletet a színpadon, majd kimerültsége miatt visszavonult, színházban azóta sem szerepelt. A felvevőgép elé 1992-ben állt ismét Cooper indiánregényének feldolgozásában, Az utolsó mohikánban, megdobogtatva a női szíveket. Alakítása hitelességét azzal igyekezett fokozni, hogy megtanulta, hogyan kell állatokat nyúzni és az erdőben élni. A következő évben főszerepet kapott Martin Scorsese történelmi drámájában, Az ártatlanság korában, majd újra Sheridan rendezői keze alatt játszott Az apám nevében című életrajzi drámában. Ezután a Salemi boszorkányok című Arthur Miller-darab filmváltozatában a tragikus sorsú John Proctor megformálásáért kapott dicséretet. 1997-ben harmadszor dolgozott Sheridannel A bunyós című filmben, amelyben egy IRA-harcos bokszolót alakított, aki tizennégy év börtön után próbálja újrakezdeni az életét.

Day-Lewis ezután váratlanul ismét hátat fordított a filmvilágnak, öt évig teljes visszavonultságban fafaragással és cipőkészítéssel foglalkozott, kezdetben inasként ült a kaptafához a neves olasz cipőkészítő, Stefanio Bemer műhelyében. Csak Harvey Weinstein producer, Leonardo DiCaprio és Scorsese nógatására tért vissza a filmipar világába, mert a rendező nem tudta nélküle elképzelni a New York bandái című moziját. A vegyes fogadtatású film alakításai közül egyedül Day-Lewis játéka talált osztatlan elismerésre. A hiteles szerepformálás érdekében csak Hentes Bill akcentusával beszélt a forgatáson kívül is, sőt "leckéket" is vett egy igazi hentestől. Újabb két év szünet után fogott bele egy újabb filmbe: a Jack és Rose balladájának rendezői székébe ezúttal felesége, Rebecca Miller ült.

2007-ben a Vérző olajban nyújtott alakításáért másodszor is megkapta a legjobb férfi főszereplőnek járó Oscar szobrocskát, valamint a Golden Globe-díjat is. Ugyancsak 2007-ben Rob Marshall Kilenc című zenés filmjében játszotta a válságba jutott filmrendezőt. Újabb ötéves hiátus után 2012-ben Steven Spielberg Abraham Lincoln amerikai elnökről készült életrajzi drámájában tért vissza, alakításáért immár harmadszor nyerte el a legjobb férfi főszereplőnek járó Oscar-díjat és ezzel filmtörténelmet írt. Jack Nicholson és Walter Brennan társaságában belépett a háromszoros Oscar-díjasok elit klubjába, de ő az egyetlen, aki mindhárom kitüntetést főszereplőként kapta: Jack Nicholsont kétszer főszereplőként, egyszer mellékszereplőként, Brennant pedig mindháromszor mellékszereplőként honorálta a filmakadémia.

A hírek szerint Day-Lewis megszakítva újabb, évek óta tartó visszavonultságát ismét forgat, Paul Thomas Andersonnal, a Vérző olaj rendezőjével dolgozik. A darab az 1950-es években Londonjában, a divat világában játszódik, a színész egy szabó bőrébe bújik, aki a királyi család és a felsőbb osztály tagjainak készíti ruháit.