David Wheeler 1963. március 20-án született Blackpoolban, Lancashire-ben, Angliában, a Wheeler család második gyermekeként. Édesanyja, Maureen és édesapja, Alec Raymond Wheeler is a család boltjában dolgozott.

Kamaszként először a QED rock zenekar, majd a Door 66 punkegyüttes gitárosa lett, ám végül nem zenészként, hanem színészként próbált meg érvényesülni, amikor beiratkozott a Guildhall School of Music and Drama-ba, ahol 1984-ben végzett.

Színészi karrierjét színpadi színészként és tévés sorozatokkal kezdte, és olyan produkciókban tűnt fel, mint a (1987), a The Road (1987) és a Félelem a sötéttől (1991). Első komolyabb alakítását, amely a kritikusokat is lenyűgözte, a Mezítelenül (1993) című film hozta meg számára. A főszereppel többek között Cannes-ban is kiérdemelte a Legjobb színész díját.

Thewlis több szakmailag és pénzügyileg is sikeres alkotásban szerepelt, ilyen volt többek között a Fekete szépség (1994), a Teljes napfogyatkozás (1995) Leonardo DiCaprioval, a Sárkányszív (1996) a Dr. Moreau szigete (1996) és a Hét év Tibetben (1997).

A Gengszterek gengsztere (2000) és az Idővonal (2003) után a fiatalabb közönség is megjegyezte a nevét a Harry Potter és az azkabani fogoly (2004) című regényadaptációban és folytatásaiban. A nemzetközi ismertség után olyan nagyobb produkciókban tűnt fel, mint a Mennyei királyság (2005), A csíkos pizsamás fiú (2008) című világháborús dráma, a Veronika meg akar halni (2009) című Coelho-regény filmfeldolgozása, az Anonymus (2011), A zéró elmélet (2013) és a Stephen Hawking életéről szóló A mindenség elmélete (2014).

Thewlis 1992-ben vette feleségül Sara Sugarman rendezőnőt, akitől 1994-ben vált el. Következő élettársa Anna Friel színésznő volt, akitől egy gyermeke született. A pár 2010-ben szakított.