David Moreau suit les cours de l'ESRA (Ecole supérieure de réalisation audiovisuelle) de Paris avant de débuter dans le milieu du cinéma via des stages et la réalisation de courts métrages. Le metteur en scène passe par la case télévision et officie en 1998 comme assistant-réalisateur sur la série H.

En 2006, David réalise son premier long métrage en collaboration avec Xavier Palud, Ils. Dans ce thriller inspiré de faits réels et tourné en Roumanie, Olivia Bonamy et Michaël Cohen doivent faire face à d'étranges visiteurs dans leur maison isolée de la banlieue de Bucarest.

Deux ans plus tard, les Etats-Unis font les yeux doux au duo David Moreau/Xavier Palud. Les deux réalisateurs travaillent à nouveau ensemble sur The Eye, remake du film hongkongais du même nom. Dans ce film d'épouvante, Jessica Alba recouvre la vue après une greffe de cornée ; ce bonheur prend vite une tournure effrayante quand elle commence à voir des fantômes. Le long métrage est un succès au box-office et rapporte plusieurs fois sa mise de départ.

En 2013, David Moreau change totalement de registre et passe du film d'épouvante-horreur à la comédie romantique avec 20 ans d'écart. Pour la première fois en solo, le metteur en scène dirige Virginie Efira et Pierre Niney ; dans le film, la première est une ambitieuse journaliste de 38 ans et le second un jeune homme insouciant de 20 ans. Quand ils se croisent, une improbable histoire commence entre eux.