Дэвид Петрэус родился в 1952 году в семье американцев голландского происхождения. Его отец был капитаном морского судна, эмигрировавшим в США из Нидерландов после Второй мировой войны.
После окончания школы поступил в военную академию Вест-Пойнт в 1970 году. Окончил её в 1974 году, слишком поздно, чтобы принять участие во Вьетнамской войне. В армии служил в основном в лёгкой пехоте, хотя иногда назначался в механизированные части, на штабные должности и в учебные заведения.
После прохождения курса обучения в школе рейнджеров, проходил службу в 509-м парашютно-десантном батальоне (Виченца, Италия). Затем, с января 1979 по май 1982 год служил в 24-й пехотной (механизированной) дивизии в Форт-Стюарт (Джорджия): помощник начальника оперативного отдела штаба 2-й бригады (январь - июль 1979), командир роты «А» и офицер оперативного отдела 2-го батальона 19-го пехотного полка (июль 1979 - май 1981), адъютант командующего дивизией (май 1981- май 1982).
В мае 1982 - июне 1983 года учился в Командно-штабном колледже армии США. Получил премию им. генерала Джорджа Маршалла, как лучший выпускник 1983 года в этом колледже. С июня 1983 по июнь 1985 года Петрэус учился в Принстонском университете. С июля 1985 по июнь 1987 года работал ассистентом профессора международных отношений в Военной академии США в Вест-Пойнте.
Получил степень магистра в области государственного управления (1985 г.), и доктора философии в области международных отношений (1987 г.) в Школе общественных и международных отношений Вудро Вильсона при Принстонском университете. Его докторская диссертация «Американские военные и уроки Вьетнамской войны» рассматривала влияние войны во Вьетнаме на американскую военную мысль.
С июня 1987 по июнь 1988 года Петрэус служил военным помощником Верховного главнокомандующего силами союзников в Европе генерала Джона Гэлвина. С июня 1988 года по июнь 1989 года он проходил службу в качестве офицера по операциям 2-го батальона 30-го пехотного полка, а затем до августа того же года, офицером по операциям 1-й бригады 3-й пехотной дивизии Армии США в Германии.
С августа 1989 по август 1991 года был секретарем и заместителем старшего помощника начальника штаба Армии США генерала Карла Вуоно. В августе 1991 — июле 1993 года командовал 3-м батальоном 187-го пехотного полка 101-й воздушно-десантной дивизии. На этом посту он был ранен в грудь выстрелом из винтовки M-16 в результате происшествия на боевых стрельбах. Его оперировал хирург Билл Фрист, будущий лидер сенатского большинства в конгрессе США.
В июле 1993 - августе 1994 гг. являлся помощником начальника штаба 101-й воздушно-десантной дивизии по планированию, операциям и подготовке личного состава. С августа 1994 по январь 1995 года учился по стипендии в школе дипломатической службы имени Эдмунда А. Уолша при Джорджтаунском университете. В январе 1995 года, Петрэусу пришлось оставить учебу в связи с его назначением начальником оперативного управления военного штаба миссии ООН в Гаити, где проходила миротворческая операция «Поддержка демократии» (англ. Uphold Democracy).
С июня 1995 по июнь 1997 года служил в качестве командира 1-й бригады 82-й воздушно-десантной дивизии. С июня 1997 года Петреус служил в качестве исполнительного помощника директора Объединенного штаба, а с октября 1997 года - помощника председателя Объединенного комитета начальников штабов, генерала Генри Шелтона.
С августа 1999 по август 2000 года Петреус вновь проходил службу в составе 82-й воздушно-десантной дивизии: сначала в качестве помощника командира дивизии по операциям, а затем - исполняющего обязанности командира дивизии (июль-август 2000 г.). В августе - сентябре 1999 года одновременно возглавлял Комбинированную объединённую тактическую группу Кувейт (англ. Combined Joint Task Force Kuwait) в ходе операции «Дезерт спринг».
Петрэус продолжал подниматься по карьерной лестнице, в 2000 году имея звание бригадного генерала он стал начальником штаба XVIII воздушно-десантного корпуса (с августа 2000 по июнь 2001). В том же году во время парашютного прыжка из-за проблемы с парашютом он неудачно приземлился, получив перелом таза.
В 2001—2002 годах участвовал в миротворческой операции НАТО в Боснии и Герцеговине в качестве помощника начальника штаба по операциям сил стабилизации НАТО (англ. NATO Stabilization Force), а затем в качестве заместителя командующего Объединенной межведомственной контртеррористической оперативной группой США (англ. US Joint Interagency Counter-Terrorism Task Force). С июля 2002 по май 2004 года командовал 101-й воздушно-десантной дивизией.
Когда в марте 2003 года началось вторжение англо-американских сил в Ирак, Петрэус командовал 101-й воздушно-десантной дивизией. Его дивизия успешно действовала под Кербелой, Хиллой и Неджефом, участвуя во взятии и зачистке этих городов от сил противника. Сам Петрэус однажды попал под обстрел иракских партизан. После окончания активной фазы боевых действий в мае дивизия была переброшена на север Ирака, приняв контроль над Мосулом и его окрестностями. Среди американских журналистов ходил анекдот о привычке Петрэуса спрашивать у приписанных к дивизии журналистов, «когда это закончится» — факт, позволяющий некоторым называть генерала одним из первых американских командиров, предвидевших трудности после окончания основных боевых действий. В июле солдаты Петрэуса обнаружили и убили сыновей Саддама Хусейна — Удея и Кусея. Участие 101-й дивизии в общественных проектах на подконтрольной ей территории считается[кем?] очень успешным, что позволило Мосулу на протяжении года оставаться одним из самых спокойных городов Ирака, не затронутых партизанским движением. Единственным крупным происшествием в дивизии было столкновение в ноябре 2003 года двух вертолётов UH-60 (один из которых уклонялся от обстрела с земли), в результате чего погибло 17 американских солдат.
101-я воздушно-десантная дивизия покинула Ирак в начале 2004 года, потеряв там за год немногим более 60 солдат погибшими. В июне Петрэус был произведён в генерал-лейтенанты и назначен главой Многонационального командования по передаче безопасности в Ираке (Multi-National Security Transition Command Iraq), занимающегося подготовкой новой иракской полиции и армии. В период его пребывания на этом посту силы безопасности Ирака значительно увеличились, хотя подготовка личного состава зачастую оставляла желать много лучшего. Петрэус многократно посещал различные иракские подразделения с инспекциями. В сентябре 2005 года вернулся в США.
С октября 2005 по февраль 2007 года генерал Петрэус был командиром военной базы Форт-Ливенуорт (Канзас) и начальником размещённого здесь Армейского общевойскового центра (U.S. Army Combined Arms Center). Вместе с генералом морской пехоты Джеймсом Мэттисом он составил Полевое руководство 3-24 (FM 3-24), ставшее официальной контрпартизанской доктриной Армии США.
С 4 июля 2010 по 18 июля 2011 года командовал Международными силами содействия безопасности в Афганистане.
Ушел в отставку из Вооруженных сил 31 августа 2011 года.
28 апреля 2011 года Петрэус был представлен президентом США Бараком Обамой к должности директора ЦРУ. 30 июня его кандидатура была одобрена Сенатом США. Дэвид Петрэус приступил к исполнению своих текущих обязанностей 6 сентября 2011 года.
Петрэус женился на Холли Ноултон сразу после окончания Вест-Пойнта (Холли была дочерью генерала Уильяма Ноултона, в тот момент занимавшего пост суперинтенданта Вест-Пойнта, то есть директора академии). У них двое детей, сын и дочь.