D’origine nigériane, David Oyelowo suit des études d’art dramatique où son professeur l'encourage grandement à devenir acteur. Il entre ensuite à la London Academy of Music and Art Dramatique (LAMDA) qu’il quitte avant la fin de son année d’étude pour un rôle à la télévision (Maisie Raine).

En 1999, il commence sa carrière au théâtre et joue pendant une année au sein de la prestigieuse Royal Shakespeare Company. Il interprète notamment le rôle-titre de Henry VI, devenant par la même occasion le premier acteur noir à jouer un roi anglais à la RSC. En 2006, il met en scène sa première production adaptée de The White Devil de John Webster, où il dirige pour l’occasion les membres de sa propre compagnie théâtrale de Brighton.

Parallèlement, David Oyelowo se fait un nom sur le petit écran. Après de courtes apparitions en 1998 dans Brothers & Sisters, il rejoint en 2002 le casting de la série d'espionnage [MI-5], dans laquelle il incarne l'agent Danny Hunter. Ce rôle, qu’il tient pendant deux ans, lui permet de se faire connaître du grand public. Au cinéma, David Oyelowo se distingue en jouant de nombreux seconds rôles. Parmi ceux-ci, un officier de police dans le thriller Dérapage (2005), le Dr. Junju dans Le Dernier roi d'Ecosse (2006) de Kevin Macdonald ou encore un directeur de laboratoire dans La Planète des singes : les origines (2011).

A partir des années 2010, les films à son actif gagnent en prestige (il donne du fil à retordre à Tom Cruise dans Jack Reacher et épaule le journaliste Matthew McConaughey dans Paperboy) et sont souvent porteurs d'un message de tolérance, de lutte contre toute forme de discrimination raciale ou de ségrégationnisme. Les plus beaux exemples de ces choix de carrière sont à trouver dans La Couleur des sentiments (2011), Red Tails (2012), Lincoln (2013), Le Majordome (id.)... et bien sûr Selma (2015). Dans ce film consacré à Martin Luther King, il joue de manière magistrale le rôle de ce charismatique leader des années 1960. Une prestation qui a nécessité de sa part une importante prise de poids et un travail intensif sur la diction et l'expressivité.

En 2015, David Oyelowo a achevé le tournage de Captive de Jerry Jameson, un thriller inspiré de faits

réels dans lequel une mère célibataire toxicomane (Kate Mara) se retrouve prise en otage dans son propre appartement par un prisonnier (David Oyelowo) qui vient de s’échapper après avoir tué le juge en charge de son procès. L’acteur a également produit le film. Il jouera aussi dans Nina, un biopic sur la chanteuse Nina Simone (Zoe Saldana) qui raconte sa relation avec son manager, Clifton Henderson (David Oyelowo), ainsi que dans Nightingale, réalisé par Elliott Lester, un drame psychologique dans lequel il incarne le personnage solitaire de Peter Snowden, un vétéran de la guerre en Irak en pleine

dépression nerveuse.