Né d'un père violoniste et d'une mère violoncelliste, David McCallum étudie naturellement la musique, avant de se réorienter vers une école d'art dramatique. Dès 1957, il tourne dans de nombreux films britanniques, comme Atlantique latitude 41 où il incarne l'un des opérateurs radio du Titanic. En 1963, il est le lieutenant Ashley-Pitt dans La Grande évasion, aux côtés de Steve McQueen et Charles Bronson. Sans vraiment connaître de "grand" rôle au cinéma, c'est dans les séries télé que David McCallum mène une grande partie de sa carrière, notamment en agent secret russe dans Des agents très spéciaux (1964), ou dans la très courte série L'homme invisible en 1975. Après des apparitions dans de multiples séries à succès, comme L'Agence tous risques (1986), Arabesque, New York District et Sex & the City, il s'établit en médecin légiste dans NCIS : Enquêtes spéciales en 2003.