David Owen Russell fait ses études sur la Côte Est et obtient un diplôme de Lettres et Sciences Politiques au Amherst College en 1981. Il réalise son premier court métrage (Bingo Inferno: A Parody on American Obsessions) en 1987, et s'intéresse déjà aux failles dans les familles américaines de classe moyenne. Grâce à une bourse du New York Council of Arts, il réalise Hairway to the Stars (1990), filmant la dernière apparition à l'écran de Bette Davis lors d'une interview.

Il revient à la fiction, avec une comédie qui le fera remarquer par les professionnels et la critique : Spanking the monkey, avec Jeremy Davies dans le rôle principal (1994). Ce film lui vaut plusieurs nominations et récompenses. Fort de ce succès, il écrit et réalise la comédie Flirter avec les embrouilles (1996) avec beaucoup plus de moyens (Miramax produit le film), ce qui lui offre le luxe de diriger (entre autres) Ben Stiller et Patricia Arquette.

Devenu une valeur sûre au box-office, David O. Russell se voit confier une grosse production avec le film de guerre Les Rois du désert. Ce retour sur la Guerre du Golfe donne au cinéaste la possibilité de disposer d'un casting prestigieux, et ainsi de diriger George Clooney, Mark Wahlberg et Saïd Taghmaoui avec lesquels il se liera d'amitié, ainsi que Spike Jonze, qui deviendra son collaborateur.

Après ce succès critique et public, David O.Russell prend son temps avant de revenir sur le devant de la scène. Il écrit un scénario qu'il met de côté, et se lance dans un projet à son image : original, drôle, décalé, et philosophique, J'adore Huckabees (2005). Fidèle à ses acteurs, il écrit des rôles spécialement pour Mark Wahlberg, Saïd Taghmaoui, Lily Tomlin et des nouveaux venus dans la troupe : Dustin Hoffman, qu'il admire, et surtout Jason Schwartzman, qu'il avait remarqué dans Rushmore.

Son caractère réputé violent sur les tournages l'amène à quelques difficultés, dont la production chaotique d'Accidental Love, comédie avec Jake Gyllenhaal et Jessica Biel, toujours inédite en France. C'est cinq ans plus tard avec Fighter que le cinéaste connaît une véritable consécration et un authentique come-back, ainsi que sept nominations aux Oscars. Ce biopic dramatique sur le boxeur Micky Ward marque sa troisième collaboration avec Mark Wahlberg.

Deux années plus tard en 2012, il signe Happiness Therapy salué par huit nominations aux Oscars et le sacre de Jennifer Lawrence qui donne la réplique à Bradley Cooper. Ces deux acteurs, le réalisateur les retrouve en 2013 dans American Bluff, de même que Christian Bale et Amy Adams qu'il avait fait tourner dans Fighter. Cette fois, O. Russell s'intéresse à l'histoire d'Irving Rosenfeld, un escroc engagé par un agent du FBI pour confondre des hommes politiques liés à la mafia.

Véritable muse du cinéaste, Jennifer Lawrence prend une autre envergure avec Joy, biopic sur l'inventrice du balai à vapeur. David O. Russell construit pour elle cette fresque familiale s'étalant sur 30 ans, où interviennent pour une troisième collaboration Bradley Cooper et Robert De Niro. Le cinéaste attend ensuite sept ans pour réaliser son nouveau long métrage : en 2022 sort Amsterdam, l'histoire de trois amis proches qui se retrouvent au centre de l’une des intrigues les plus secrètes et choquantes de l'histoire américaine.

Pour l'occasion, le cinéaste s'entoure d'un casting encore plus impressionnant que pour ses précédentes réalisations, composé des habitués Bale et De Niro, donnant la réplique à Margot Robbie, John David Washington, Taylor Swift, Anya Taylor-Joy, Chris Rock, Rami Malek, Zoe Saldana ou Mike Myers.