Coulthard začínal na motokárách a v letech 1982 - 1988 získal tři tituly skotského šampiona, titul britského super šampiona v juniorské kategorii a titul mistra Skotska v dospělé kategorii. V šampionátu Formule Ford získal v roce 1989 mistrovský titul, následovala Formule 3000 a v roce 1993 Formule 1.

V roce 1993 se stal Coulthard testovacím jezdcem týmu Williams-Renault. V následujícím roce pokračoval jako testovací jezdec, ale po tragické havárii Ayrtona Senny se stal závodním jezdcem po boku Damona Hilla. Dobré výsledky a konečné 8. místo mu vynesly smlouvu pro sezónu 1995.

V sezóně 1996 se David stal pilotem McLarenu, kde se stal týmovým kolegou Mikko Häkkinen a skončil na celkovém 7. místě. Úspěšnější byl v následující sezóně, kdy se po diskvalifikaci Michaela Schumachera posunul z konečné čtvrté na třetí příčku. Sezóna 1998 se nesla v duchu týmové režie ve prospěch Miku Häkkinena a David tak nakonec obhájil 3. místo. 

Sezóna 2001 byla pro Skota nejúspěšnější, když několikrát porazil týmového kolegu, ale šampionátu jednoznačně kraloval Michael Schumacher na Ferrari. Pro rok 2002 se na místo končícího Mikko Häkkinena dostal další Fin Kimi Räikkönen, který výkony překonával zkušeného Davida, který ukončil sezónu na 5. a v následujícím roce až na 7. místě. V roce 2004 už nedosáhl na stupně vítězů, což ho sesunulo na celkovou 10. příčku, která předznamenala i jeho odchod z týmu McLaren.

Jeho zkušenosti mu přinesly pro rok 2005 smlouvu s novým týmem Red Bull, kde působil následující 4 sezóny. V prvním roce dosáhl bodového výsledku z předchozího roku a skončil 12., v sezóně 2006 získal třetí místo v GP Monaka a klesl v konečném pořadí na 13. místo. Změny v týmu Red Bull znamenaly zvýšení potenciálu pro sezónu 2007, kdy se druhým pilotem stal Mark Webber a David získal 14 bodů, což stačilo na 10. místo. Sezóna 2008 se nesla v duchu proměnlivých výkonů a na své poslední pódium dosáhl na GP Kanady, kde získal 3. místo. Zisk 8. bodů stačil jen na 16. místo a David se s Formulí 1 rozloučil GP Brazílie.

Po ukončení závodní kariéry přijal David nabídku týmu Red Bull na pozici konzultanta a testovacího pilota, kde působil následující dvě sezóny. V roce 2010 a 2011 se objevil za volantem Mercedesu jako pilot v seriálu DTM.