David Mackenzie développe très tôt une passion pour le cinéma, au même titre que son frère Alastair Mackenzie. L'un veut être réalisateur, l'autre acteur : rapidement, ils décident de se lancer dans l'aventure. Avec peu de moyens, c'est leur détermination qui les pousse à sauter le pas, en 1994. Ils fondent ensemble la société de production Sigma Films, commencent à écrire plusieurs scénarios à quatre mains et David MacKenzie réalise dès lors plusieurs courts métrages (neuf au total, ainsi qu'un documentaire).

Certaines de ses réalisations sont diffusées sur les chaînes britanniques BBC et Channel 4, comme Dirty Diamonds (1994), California Sunshine (1997), dans lequel joue son frère Alastair, ou encore Marcie's dowry (1999), qui remporte un prix du public au festival du court métrage de Brest. Peu à peu, le jeune cinéaste se fait connaître : il écope du deuxième prix pour le Meilleur court-métrage au Festival du Film de Dresden pour Somersault (2000).

En 2002, David MacKenzie franchit encore un cap : il réalise son premier film, co-écrit avec son frère, intitulé The Last great wilderness. Avec ce road-movie expérimental à mi-chemin entre le film d'horreur et la comédie, le réalisateur écossais intrigue et se fait remarquer, mais ne rencontre encore pas un grand succès. C'est l’année suivante qu'arrive la reconnaissance internationale, avec son deuxième film, une adaptation du roman d'Alexandre Trocchi : Young Adam. Il y dirige Ewan McGregor, Tilda Swinton et Emily Mortimer.

Présenté à Cannes en 2003, son film remporte plusieurs récompenses dont le Prix du Meilleur film britannique au Festival d’Edimbourg. Fort de son succès, David MacKenzie enchaîne les récompenses et obtient en 2005 le Prix du Cinéma d’Art et d’Essai au Festival de Berlin avec Asylum, son troisième film, qui vaut aussi à Natasha Richardson le Prix de la Meilleure actrice pour l’Evening Standard.

En 2007, le cinéaste dirige Jamie Bell, l'ancien enfant star de Billy Elliot, dans My Name is Hallam Foe, sélectionné en Compétition Officielle à la Berlinale et gratifié du Prix du Jury et du Public au Festival de Dinard. Après une brève incursion à Hollywood en 2009 pour Toy Boy, où il travaille avec les stars Ashton Kutcher et Anne Heche, David MacKenzie revient sur ses terres natales pour y réaliser Perfect Sense, un film romantique d'anticipation qui retrace l'histoire d'amour d'une scientifique et d'un cuisinier sur fond d'apocalypse. On y retrouve également Ewan McGregor, avec qui il avait déjà collaboré.

Le metteur en scène s'attaque en 2013 à un registre plus sombre avec Les Poings contre les murs, film carcéral aussi violent que réaliste porté par Jack O’Connell et Ben Mendelsohn. Il signe ensuite, aux États-Unis, le western moderne Comancheria dans lequel le ranger Jeff Bridges se lance aux trousses des braqueurs Chris Pine et Ben Foster. Puis, il s'attaque au film de guerre moyenâgeux avec Outlaw King : Le Roi hors-la-loi pour Netflix, centré sur le guerrier Robert Bruce, un personnage clé de Braveheart de Mel Gibson. Pour l'occasion, le cinéaste retrouve Chris Pine.

Après avoir mis en scène des épisodes des séries (HOMEMADE, Sur ordre de Dieu), il signe son nouveau long métrage, le thriller Relay, porté par Riz Ahmed, Lily James et Sam Worthington.