Дэй-Льюис родился в Лондоне в еврейской семье с ирландскими и прибалтийскими корнями и принадлежал к элите английского общества: отец — национальный поэт-лауреат, мать — актриса, дочь управляющего старейшей киностудией в мире. Тем не менее, уже в 13 лет будущий актёр был исключен из школы. Он рано понял, в чём состоит его призвание, и вступил в ряды Королевской шекспировской труппы. За вычетом эпизодического появления в фильме «Воскресенье, кровавое воскресенье», кинодебют Дэй-Льюиса состоялся в оскароносной ленте «Ганди» в 1982 г.
Четыре года спустя все критики заговорили о Дэй-Льюисе как об открытии года и самом многообещающем актёре своего поколения: в один день состоялась премьера двух фильмов с его участием. В историческом фильме «Комната с видом» он сыграл чопорного аристократа эдвардианской эпохи, а в «Моей прекрасной прачечной» его прямую противоположность — уличного хулигана-гея.
В свете восторженных отзывов практически всех наблюдателей Дэй-Льюису было впервые доверено исполнение главной роли — в экранизации романа Милана Кундеры «Невыносимая лёгкость бытия» (1988). Однако подлинным триумфом актёра стала следующая картина, «Моя левая нога» (1989), в которой он сыграл больного церебральным параличом. Его игра удостоилась самых высоких почестей, включая премии Британской (BAFTA) и Американской («Оскар») киноакадемий.
После трехлетней паузы Дэй-Льюис существенно набрал мускульную массу и вернулся на киноэкраны самым неожиданным образом — в роли главного героя «Последнего из могикан». Он был вновь номинирован на основные кинонаграды за роль террориста поневоле в политической ленте «Во имя отца». В 1993 г. сыграл с Мишель Пфайффер и Вайноной Райдер в киноверсии романа «Эпоха невинности» (режиссёр — Мартин Скорсезе).
Приняв в том же году ирландское гражданство, Дэй-Льюис стал появляться в фильмах все реже. Его связь с французской актрисой Изабель Аджани закончилась тем, что она сообщила ему по факсу о своей беременности: ребенок родился через шесть месяцев после расставания родителей. Несколько лет спустя стало известно о браке Дэй-Льюиса с актрисой и кинорежиссёром Ребеккой Миллер, дочерью известного драматурга Артура Миллера. От этого брака у него есть двое детей.
На исходе десятилетия Дэй-Льюис объявил о том, что устал от кино, и поселился в Италии, где — по слухам — подрабатывал сапожником. Утверждают, что Скорсезе, Леонардо Ди Каприо и продюсеру Харви Вейнстайну стоило немалых усилий убедить его изменить свое решение и принять участие в съемках нового фильма Скорсезе — «Банды Нью-Йорка». Хотя и за эту работу актёр был выдвинут на соискание «Оскара», Дэй-Льюис уверял, что не планирует больше сниматься в кино.
В 2007 году вышел фильм «Нефть» режиссёра Пола Томаса Андерсона с Дэниелом в главной роли, он сыграл алчного нефтяника Дэниела Плейнвью. 24 февраля 2008 года за эту роль Дей-Льюис получил свой второй «Оскар» как лучший актёр. Дэй-Льюис является единственным актёром, получавшим «Оскар» в этой номинации в 2 разных веках.