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. 향년 78세.