Né de parents artistes (son père est un grand poète anglais et son grand-père maternel était à la tête des célèbres studios Ealing), Daniel Day-Lewis étudie les arts dramatiques à la Bristol Old Vic School, avant de faire sa première apparition cinématographique (non créditée) dans le rôle d'un petit malfrat pour le drame Un dimanche comme les autres, en 1971. Ce n'est que dix ans plus tard, après une intense période théâtrale, qu'il réapparaît sur les écrans, avec un petit rôle dans Gandhi (1982).

L'acteur devient en 1984 l'un des révoltés du Bounty de Roger Donaldson, aux côtés de Mel Gibson, interprétant là son premier vrai rôle au cinéma. Il décroche l'année suivante le New York Film Critics Circle Awards du Meilleur Acteur grâce au personnage de Johnny, un jeune homosexuel anglais dans My Beautiful Laundrette, bilan amer des années Thatcher signé Stephen Frears.

L'acteur devient par la suite très exigeant dans le choix de ses personnages en privilégiant les rôles difficiles. Il campe l'artiste handicapé Christy Brown pour My Left Foot, en 1989, obtenant pour l'occasion l'Oscar du meilleur acteur, puis est Le Dernier des Mohicans en 1992. Il rencontre à nouveau un grand succès public et critique pour Au nom du père (1993), dans lequel il joue un homme injustement reconnu coupable d'un attentat perpétré par les forces de l'IRA.

Se faisant de plus en plus rare au cinéma, Daniel Day-Lewis accepte toutefois de revenir en 1997 afin de retrouver son metteur en scène fétiche, Jim Sheridan, pour le drame The Boxer. Après une nouvelle absence, longue de cinq ans, l'acteur d'origine britannique incarne le diabolique "Boucher", leader du groupe des Américains dans le Gangs of New York de Martin Scorsese. Une interprétation démente qui n'est pas prête de passer aux oubliettes, et qui éclipse celle de Leonardo DiCaprio.

Il joue ensuite un hippie reclus sur une île perdue dans The Ballad of Jack and Rose (2006), réalisé par sa compagne Rebecca Miller, et en 2008, il tient le rôle principal du film de Paul Thomas Anderson, There Will Be Blood, qui lui vaut d'ailleurs une nomination à l'Oscar du Meilleur acteur. Trois ans plus tard, il porte, en compagnie d'un groupe de comédiennes confirmées, la très mal reçue comédie musicale Nine.

En 2013, Daniel Day-Lewis trouve à nouveau un rôle à la mesure de son talent en prêtant ses traits à Abraham Lincoln, 16ème Président des Etats-Unis, sous la direction de Steven Spielberg. Son impressionnante prestation est récompensée par l'Oscar du meilleur acteur. En 2018, le comédien est dirigé pour la seconde fois par Paul Thomas Anderson pour Phantom Thread, son dernier long-métrage avant sa retraite. 

Leslee Dart, porte-parole de cet acteur atypique, réputé pour l'investissement total qu'il met dans ses rôles, a confirmé la nouvelle : "Daniel Day-Lewis ne travaillera plus comme acteur. Il est immensément reconnaissant envers tous ses collaborateurs, envers le public, depuis toutes ces années. Il s'agit d'une décision personnelle. Ni Daniel, ni ses représentants ne feront d'autres commentaires sur le sujet."

En 2026, Daniel Day-Lewis effectue son grand retour dans Anemone – Les racines du mensonge, un drame psychologique mis en scène par son fils Ronan Day-Lewis. Pour l'occasion, l'acteur donne la réplique à Sean Bean, qui campe son frère.