Dopo aver ottenuto numerosi successi nel kart, Coulthard passò alla Formula Ford nel 1989 guidando così bene da vincere il primo riconoscimento come giovane pilota McLaren/Autosport dell'anno. In seguito s'impegnò nelle categorie junior, ma fu costretto a saltare numerose gare a causa della rottura di una gamba procurata in un incidente a Spa nel 1990. Nel 1991 la sua reputazione ricevette un'ulteriore spinta, vincendo le gare internazionali di Formula 3 a Zandvoort e Macao.

Nel 1992 arrivò nono in Formula 3000 per conto della Paul Stewart Racing e terzo nel 1993. La soddisfazione più grande di quell'anno fu il ruolo di collaudatore che ottenne alla Williams, ma il 1994 non gli permise di guidare come avrebbe voluto e per questa ragione programmò di proseguire in F3000 e di continuare a fare il collaudatore. In seguito alla tragedia di Senna ad Imola del 1994 divenne pilota titolare alla Williams e anche se disputò soltanto 8 gare, alla fine giunse ottavo in campionato.

Nel 1995 proseguì con la Williams, al fianco di Damon Hill e vinse la sua prima gara in Portogallo, battendo Michael Schumacher sulla Benetton ed il suo compagno di squadra. Al termine della stagione conquistò il terzo posto in classifica con 59 punti. Nel 1996 passò alla McLaren, al fianco di Mika Hakkinen. Anche se entrambi i piloti faticarono a tenere il passo delle Williams, David vinse la corsa di apertura in Australia nel 1997, portando nuovamente alla vittoria la McLaren. Imponendosi anche a Monza concluse la stagione alla terza piazza alla pari con Jean Alesi.

Nel 1998 la McLaren conquistò il titolo costruttori, ma David visse una stagione altalenante, vincendo l'unica corsa a San Marino. Confusioni ai pit stop, incidenti ed occasionali problemi meccanici non lo rallentarono, infatti arrivò terzo con 56 punti, dietro la battaglia tra Michael Schumacher e Mika Hakkinen.

Nel 1999 incontrò ancora problemi con la macchina, ma riuscì comunque a vincere il GP d'Inghilterra. Sebbene continuò a lottare col compagno, arrivò solo quarto tra i piloti con 48 punti. Nel 2000 proseguì ad affiancare il duplice campione del mondo Mika Hakkinen, una stagione che lo vide più che mai determinato. L'essere scampato ad un incidente aereo gli diede nuova energia. Tuttavia, nonostante una grande lotta in campionato, si classificò solo terzo.

Il 2001 fu un anno in cui emersero problemi di affidabilità e nonostante i suoi grandi sforzi non riuscì a battere Michael Schumacher. Concluse la stagione al secondo posto, con un grande margine di vantaggio su Mika Hakkinen, che nel 2002 decise di prendersi un anno sabbatico, concludendo il più lungo rapporto di lavoro di questo sport.

Nel 2002 Coulthard affiancò il giovane Kimi Raikkonen sperando che potesse finalmente essere l'anno del suo successo, ma ancora una volta non fu così. Il pilota scozzese non fu all'altezza dei suoi avversari e fu costretto ad accontentarsi del quinto posto generale in campionato mentre il team di Woking concluse l'anno al terzo rango nel campionato costruttori.

Lo scozzese si impose nella prima gara del 2003 ma il resto della stagione fu difficile, soprattutto a causa del nuovo formato delle qualifiche introdotto dalla FIA. Concluse il campionato al settimo rango. Le cose non andarono veramente meglio nel 2004 in quanto giunse ad un distante decimo rango nel campionato piloti dopo aver ottenuto come migliore risultato un arrivo in quarta posizione, senza riuscire a trarre il meglio da un telaio migliorato da metà stagione in poi.

Dopo niente meno che nove stagioni con la McLaren, il pilota scozzese cambiò squadra nel 2005 e raggiunse la Red Bull Cosworth, nata dalle ceneri della Jaguar Racing. Dopo aver passato così tanto tempo a Woking, David Coulthard apprezzò di integrare una nuova struttura e si godette la sua nuova libertà. Disputò una stagione impressionante con questo team, raccogliendo un totale di 24 punti.

Coulthard è rimasto alla Red Bull per il 2006 e sperando di salire nuovamente sul primo gradino del podio grazie ai motori Ferrari ed al talento del designer Adrian Newey. Tuttavia è stata una stagione deludente per la squadra e per Coulthard che ha concluso il campionato in tredicesima posizione. Il pilota scozzese ha comunque ottenuto il primo podio della Red Bull, con un terzo posto a Monaco.

Nel 2007 lo scozzese ha avuto molti problemi di affidabilità con la sua RB3 motorizzata Renault. L'apice dell'annata rimane il quarto posto ottenuto sotto il diluvio di Fuji. In totale Coulthard ha segnato 14 punti che lo hanno piazzato al decimo rango in campionato. Quest'anno il veterano britannico spera che il nuovo pacchetto della RB4 gli consenta di lottare di più agli avamposti.