Prvou z nich bola rola agenta FBI Foxa Muldera v mysterióznom seriáli Akty X, druhý veľký triumf kariéry bola televízna postava spisovateľa Hanka Moodyho v seriáli Californication. Na niektorých dieloch oboch seriálov sa Duchovny podieľal aj ako režisér a scenárista a pred rokmi vstúpil aj do sveta literatúry.
David William Duchovny sa narodil 7. augusta 1960 v New Yorku ako druhé dieťa spisovateľa a učiteľky. Otec, ktorý pracoval aj ako novinár, pochádzal z ruskej židovskej rodiny, matka mala škótske korene. Rodičia sa rozviedli, keď mal 11 rokov, a Dávid zostal s matkou v New Yorku. Má brata Daniela a sestru Laurie.
Duchovny vyštudoval anglickú literatúru na prestížnej Princetonskej univerzite a neskôr na univerzite v Yale. Okrem štúdií sa mu darilo aj v športe, bol členom školského basketbalového tímu. Profesionálnu kariéru odštartoval v reklame, herectvo ho natoľko uchvátilo, že vyštudovaný odbor čoskoro opustil.
V Hollywoode debutoval v úspešnom filme Podnikavé dievča (1988), avšak len v epizódnej roličke. Zahral si tiež transvestitu v seriáli Twin Peaks a bol rozprávačom v erotickom seriáli Denníky červených črievičiek. Prvá väčšia rola aj úspechy prišli s trillermi Kalifornia (1993) a Ruky od krvi (1997).
Doteraz životné úlohy však Duchovnemu ponúkla práve televízna obrazovka. Na začiatku roka 1993 bol obsadený do postavy agenta FBI Foxa Muldera v seriáli Akty X. Dychtivý hľadač pravdy, ktorý sa vo svojej ceste za skúmaním paranormálnych javov dostáva až k svetovému sprisahaniu, získal obrovskú divácku obľubu a Akty X sa stali jedným míľnikov v histórii televíznej zábavy. Natáčanie trvalo až do roku 2018.
V Hollywoode potom dostal Duchovny okrem niekoľkých vedľajších úloh aj hlavné úlohy v sci-fi Evolúcia (2001) a romantickej komédii Vráť sa mi (2000). Jeho osobným úspechom bola snímka Nezabudnuteľné detstvo (2004), ktorú sám napísal a zrežíroval a v ktorej si okrem iného zahral aj Robin Williams. Naposledy sa objavil vo filme Mocnejšia než slová (2013). V roku 2017 oznámil koniec filmovej kariéry, o rok neskôr sa ešte podieľal na posledných dieloch seriálu Akty X. Teraz sa venuje písaniu a hudbe.
Od roku 1997 bol ženatý s herečkou Téou Leoni. Majú spolu syna a dcéru. Vzťah narušilo liečenie Duchovnyho zo závislosti na sexe v roku 2008, po ktorom sa niekoľkokrát rozišli a zasa dali dokopy. V roku 2014 sa rozviedli.