Acteur dès son plus jeune âge, David Hemmings débute sa carrière cinématographique à l'âge de treize ans dans le drame The Rainbow jacket. Une dizaine de films plus tard, l'acteur explose dans Blow-up de Michelangelo Antonioni (1966), long métrage dans lequel il incarne un photographe de mode témoin involontaire d'un crime. Un rôle qui l'impose immédiatement en figure de proue de la pop-culture alors en plein développement.

Désormais comédien de premier plan, il apparaît dans le drame de guerre La Charge de la brigade légère puis passe à un registre plus léger avec Barbarella de Roger Vadim, tous deux tournés en 1968.

En 1972, David Hemmings passe à la réalisation avec le drame Running scared qui ne remporte pas le succès escompté. Acteur, il continue de collaborer avec les plus grands : Richard Lester en 1974 pour Terreur sur le britannic ou Dario Argento en 1975 pour Les Frissons de l'angoisse.

En 1981, il repasse derrière la caméra avec le drame paranormal Le Survivant d'un monde parallèle qui se solde par un nouvel échec commercial. Durant la décennie suivante, David Hemmings alterne les apparitions sur grand écran et la réalisation d'épisodes de séries télévisées (Magnum, L'Agence tous risques ou encore Code Quantum).

Dans les années 2000, il revient sur le devant de la scène cinématographique en apparaissant coup sur coup dans Gladiator, Spy game, jeu d'espions, Gangs of New York et La Ligue des Gentlemen Extraordinaires.