Дэвид Тьюлис, второй из трёх детей, родился в прибрежном городе Блэкпул графства Ланкашир на северо-западе Англии в семье Алека Раймонда Уилера и Морин (в девичестве Тьюлис). Его родители держали небольшой магазин, где летом продавали игрушки, а зимой — обои и краски. В юношеские годы Дэвид был участником рок-коллектива «QED», с которым выступал в некоторых отелях Блэкпула, чтобы заработать денег на новое музыкальное оборудование и первую звукозапись на студии «Storm Studios». Позже он стал ведущим гитаристом панк-рок группы «Door 66», вместе с которой поехал в Лондон для выступлений. Именно там он, последовав примеру своих партнёров по музыкальному коллективу, решил сменить сферу деятельности и поступить в Гилдхоллскую школу музыки и театра, которую и окончил в 1984 году. По окончании Дэвид решил зарегистрироваться в Союзе актёров. Но Дэвид Уилер уже существовал в базе данных. Пришлось выбирать псевдоним: девичья фамилия матери – первое, что вспомнил выпускник .
После окончания учёбы некоторое время играл в театре. Его первой актёрской работой была роль в театральной постановке о Бадди Холли в одной из студий Гринвича. Дебют Тьюлиса в кино состоялся в 1993 году в фильме «Обнажённые» режиссёра Майка Ли. За роль уличного философа Джонни он был назван лучшим актёром Национальным советом кинокритиков США, Лондонским клубом кинокритиков, газетой «Evening Standard», Нью-Йоркским клубом кинокритиков и получил премию Каннского кинофестиваля. В том же году он появился на телевидении в роли Джеймса Джексона в телесериале «Главный подозреваемый – 3» вместе с Хелен Миррен и Киараном Хайндсом.
В течение 1990-х годов Тьюлис снимался в различных фильмах, в том числе «Королевская милость» (1995 год), «Чёрный Красавец» (1994), «Полное затмение» (1995 год) в роли Поля Верлена, «Остров доктора Моро» (1996 год), «Сердце дракона» (1996 год) и «Семь лет в Тибете» (1997 год) вместе с Брэдом Питтом (из-за этого фильма Тьюлису запрещено въезжать в КНР), «Осаждённые» (1998 год) Бернардо Бертолуччи и «Гангстер № 1» (2000 год) с Малькольмом МакДауэллом.
Тьюлис пробовался на роль профессора Квиррелла в фильме «Гарри Поттер и философский камень», но роль была отдана Яну Харту. Несмотря на неудачу с первым фильмом, в 2004 году Тьюлис получил роль Римуса Люпина в «Гарри Поттере и узнике Азкабана» без всяких проб, так как он был первым выбором режиссёра Альфонсо Куарона. Он сыграл эту роль и в четырёх последующих фильмах этой серии.
В 2000-х годах Тьюлис появился в фильмах «Царство небесное» (2005 год) Ридли Скотта, «Новый Свет» (2005 год) Терренса Малика и «Омен»(2006 год). Кроме того он сыграл роль коменданта нацистского лагеря смерти и отца главного героя, маленького мальчика, в фильме «Мальчик в полосатой пижаме» в 2008 году и роль главы больницы для душевнобольных в фильме «Вероника решает умереть» в 2009 году.
В недавних фильмах его можно увидеть в ролях коварного придворного Елизаветы I Уильяма Сесила («Аноним» (2011 год) Роланда Эммериха) и британского тибетолога Михаэля Эйриса, который был мужем Аун Сан Су Чжи, мьянманского политического деятеля («Леди» (2011) Люка Бессона).
Дэвид Тьюлис работает также как режиссёр и сценарист. Получил номинацию на премию BAFTA за постановку короткометражного фильма «Привет, привет, привет» (1995 год). В 2003 году он написал сценарий и поставил фильм «Нахал», сыграв одновременно главную роль.
В 1992 году Дэвид Тьюлис женился на режиссёре Саре Шугармен, но уже через год они развелись. Позже встречался с английской актрисой Кейт Харди. Имел долгие отношения с английской актрисой Анной Фрил, 9 июля 2005 года у них родилась дочь Грэйси Эллен Мэри Фрил, но в декабре 2010 года пара рассталась .
Дэвид Тьюлис увлекается живописью, музыкой и поэтическим творчеством.