David tuvo una carrera de mucho éxito en el karting, después se graduó en la Fórmula Ford en 1989, donde pilotó muy bien y eso le sirvió para ganar el premio McLaren/Autosport Piloto Joven del Año. Este galardón le permitió pilotar por primera vez en su vida un monoplaza de Fórmula Uno. Después de eso se pasó a las categorías júnior, aunque apenas disputó carreras porque se rompió una pierna en un accidente en Spa en 1990. Su reputación recibió un empujón un año después, cuando ganó las carreras internacionales de Zandvoort y Macao.

Terminó noveno en el campeonato de Fórmula 3000 de 1992 con el equipo Paul Stewart Racing y tercero en el 93. Su mayor éxito ese año fue ser el probador de Williams, aunque el 94 inicialmente no le trajo el volante con el que tanto soñaba, así que siguió alternando la F3000 con su papel de piloto de pruebas. La muerte de Senna en Imola en 1994 le convirtió en piloto oficial de Williams y, aunque esa temporada sólo participó en ocho carreras, terminó octavo en la clasificación.

En 1995 siguió pilotando para Williams al lado de Damon Hill y ganó su primer gran premio, en Portugal, batiendo a su propio compañero y al Benetton de Michael Schumacher. Terminó tercero en la general con 49 puntos. En el 96 se marchó a McLaren, donde tuvo como compañero a Mika Hakkinen. Aunque ambos pilotos no pudieron seguir el ritmo de Williams ese año, David ganó la primera carrera de la temporada 1997, en Australia, volviendo a poner a McLaren en la senda del éxito. El escocés ganó otra vez en Monza y finalizó el campeonato tercero con los mismos puntos que Jean Alesi.

En 1998, McLaren se adjudicó el campeonato de constructores, pero David tuvo un año muy irregular y sólo logró la victoria en San Marino. Las confusiones en los repostajes, los accidentes y los problemas mecánicos no le frenaron en la clasificación, donde fue tercero con un total de 56 puntos por detrás de Mika Hakkinen y de Michael Schumacher.

En el 99 tampoco tuvo un año brillante debido a los problemas en su monoplaza, aunque consiguió en el Gran Premio de Gran Bretaña su único triunfo de la temporada. Aunque siguió peleando contra su compañero, terminó el año cuarto en el campeonato de pilotos. Un año después siguió acompañando al ya doble campeón Mika Hakkinen, en una temporada en la que estaba más motivado que nunca. Pero un accidente de avión, en el que murieron sus dos pilotos, le dio una nueva vida al escocés. Sin embargo, a pesar de sus esfuerzos por conseguir la gloria, finalizó tercero en la clasificación.

En el 2001, David también sufrió numerosos problemas de fiabilidad y en ningún caso pudo competir con el claro dominador del campeonato, Michael Schumacher. Aún así, acabó segundo por detrás del alemán pero por delante de Mika Hakkinen, quien al término de la temporada se tomó un año sabático y puso fin a su larga relación como compañeros.

David estrenó nuevo compañero en el 2002, el joven finlandés Kimi Raikkonen, pero la que parecía podía ser la temporada definitiva para el asalto del escocés al título se convirtió en decepcionante. Los McLaren no estuvieron a la altura de sus rivales y David tuvo que conformarse con una discreta quinta posición en el Mundial, además de ver relegado a su equipo al tercer puesto en la clasificación de constructores.

En la temporada 2003, el piloto escocés se imponía en la primera carrera del año en Australia, pero vivió una campaña bastante complicada, sobre todo por sus dificultades en las sesiones de calificación. Coulthard finalizó séptimo el Mundial y las cosas no le fueron mejor en el 2004. Al contrario, el piloto británico no pasó en el 2004 de una decepcionante décima posición en el Mundial y su mejor resultado fue un cuarto puesto.

Después de nueve temporadas en la disciplina de McLaren Mercedes, todo fue nuevo para David en el 2005 al unirse al nuevo equipo Red Bull Cosworth. Tras tanto tiempo en McLaren, Coulthard disfrutó de una nueva libertad en Red Bull y completó una temporada impresionante con la escudería austriaca, al conseguir 24 puntos. Superando tanto a Christian Klien como a Vitantonio Liuzzi, Coulthard siguió con el equipo en 2006.

A pesar de contar con motores Ferrari, la temporada 2006 fue decepcionante para Coulthard y para Red Bull. El escocés concluyó el Campeonato en 13ª posición, pero consiguió sumar su primer podio en Montecarlo con el equipo.

Con Renault como nuevo proveedor de motores de Red Bull en 2007, Coulthard y su nuevo compañero Mark Webber obtuvieron unos resultados muy similares en condiciones de carrera. Sin embargo, en calificación, Coulthard se vio superado normalmente por el australiano, aunque en muchas ocasiones fue la falta de fiabilidad del RB3 la que le jugó una mala pasada al escocés. Su cuarto puesto en el GP de Japón disputado en Fuji bajo una intensa lluvia fue su mejor resultado de la temporada. Coulthard concluyó el Campeonato con 14 puntos en décima posición.