David Boreanaz nasce a Buffalo, nello stato di New York, ma vive la sua infanzia a Philadelphia. Ha una discendenza di origine italiana da parte di padre e cecoslovacca grazie alla madre Patti. Suo padre David Thomas Boreanaz, conosciuto come Dave Roberts, è un noto metereologo e conduttore televisivo.
Da bambino David sogna di diventare una star del football, ma deve rinunciare per via di un infortunio al ginocchio. Frequentando gli studi televisivi dove lavora il papà, David incontra molte star del cinema, tra cui Yul Brinner; il fascino dell'ambiente dello spettacolo e l'aura di splendore e successo che circonda le star, suscitano in lui il desiderio di diventare un attore.
Ancora giovanissimo, David afferma con convinzione di voler recitare e, dopo il diploma alla Rosemont School, si iscrive alla Malvern Preparatory School, una scuola cattolica privata in Pennsylvenia. Prosegue gli studi all'università di Ithaca a New York e nel 1991 consegue la laurea. David decide di trasferirsi a Los Angeles, cuore dell'industria cinematografica americana, con l'intenzione di diventare regista.
Purtroppo i sogni non sono sinonimo di successo e Hollywood non investe in ventenni di belle speranze senza avere delle solide garanzie. Tuttavia David non si arrende e, mentre lavora come parcheggiatore e imbianchino, riesce a inserirsi nell'ambiente cinematografico, recitando in qualche pubblicità e come comparsa.
Dopo qualche piccola apparizione non accreditata, nel 1993 arriva il primo ruolo ufficiale nella serie Sposati... con figli dove interpreta il fidanzato di Christina Applegate. La svolta decisiva della sua carriera arriva nel 1997 quando un talent scout "scopre" David mentre è a passeggio con il suo cane, Berta Blue.
Marcia Schulman, responsabile del casting della serie Buffy, l'Ammazzavampiri, gli organizza un provino e David ottiene il ruolo di Angel, il vampiro dall'anima torturata, che s'innamora della Cacciatrice (Sarah Michelle Gellar).
Il ruolo, da marginale, diventa subito uno dei personaggi più amati dal pubblico e presto Joss Whedon, il creatore di Buffy, crea una serie dedicata interamente al tenebroso vampiro: Angel.
La serie riscuote molto successo, ma disgraziatamente la Warner Bros decide di terminarla a causa degli elevati costi di produzione.
I fan non si danno per vinti e mettono in atto varie campagne di protesta e supplica, per dare di nuovo vita ai loro beniamini. La Warner sembra prestare orecchio alle richieste dei fans e interpella David per eventuali film tv per continuare la saga di Angel. L'attore però, non è interessato al progetto e declina l'offerta.
David debutta anche in teatro al Garden Stage con Italian-American Reconciliation, all'Ensemble Theater con Hatful of Rain e recita anche nella commedia "Cowboy Mouth".
Le richieste non mancano e nel 2001 ottiene il ruolo da protagonista nel film Valentine, mentre nel 2003 gli viene offerto di interpretare Bruce Wayne in Batman Begins, tuttavia non accetta la parte.
Il ruolo che lo ha reso famoso rimane comunque quello di Angel, ma nonostante abbiano in comune il senso della giustizia, David è molto diverso dalla figura tragica del vampiro con l'anima. I suoi amici lo definiscono una persona solare, che ama molto divertirsi e organizzare scherzi.
La collega Amy Acker racconta che spesso, durante le riprese, David si diverte a scandalizzare la troupe abbassandosi i pantaloni. Durante un'intervista l'attore ha risposto che tenta in tutti i modi di "farli scoppiare a ridere", e che ama creare un clima giocoso sul set.
Nel 1997 David sposa Ingrid Quinn, ma la loro unione non riesce a sopportare i disagi della notorietà e dopo due anni Ingrid chiede il divorzio. Nel 2001 David sposa l'attrice Jaime Bergman (Sons of the Beach).
La proposta di matrimonio è molto romantica: "ho guidato fino alla cima di una montagna a Big Bear in un'auto d'epoca. Siamo andati nel posto che mia sorella ha scelto per partorire. Ho preso una lanterna e abbiamo camminato nel buio fino ad avere solo la luce delle stelle su di noi, a quel punto le ho chiesto di diventare mia moglie."
La cerimonia è prevista per i primi di settembre, ma slitta a causa della tragedia delle Twin Towers. Il 24 novembre 2001, David e Jaime si sposano a Palm Springs con una cerimonia a cui partecipano la famiglia e pochi amici intimi.
Dopo qualche tempo danno alla luce il loro primogenito: Jaden Rayne Boreanaz. Il nome del bambino è voluto da David per ricordare le iniziali dei loro nomi e in onore della pioggia caduta nel giorno del matrimonio.
Di recente l'attore è stato impegnato nelle riprese della serie tv Bones, dove ha interpretato l'agente speciale Seeley Booth, che collabora con l'antropologa forenseTemperance "Bones" Brennan (Emily Deschanel) per risolvere intricati casi d'omicidio. Dato il successo, la serie viene è stata confermata per sei stagioni (mentre attualmente si vocifera di uno spin-off) e David ha così conosciuto una nuova notorietà. La sua presenza si è fatta notare anche nel mondo dell'animazione, dato che l'attore presta la voce a un personaggio della serie Justice League: The New Frontier , ed è apparso persino in un'episodio del cartone I Griffin, durante un curioso cross-over con la serie Bones.
Nonostante David sia riuscito a ottenere di recente anche alcuni ruoli cinematografici (ma prevalentemente per film Direct-to-Video), è come se fosse rimasto ancorato al personaggio di Angel, tanto che l'attore sembra avere vinto ormai ogni riluttanza e ha dichiarato alla Comi-Con di San Diego di voler realizzare un film dedicato al celebre vampiro con l'anima.
2004 Premio Miglior attore televisivo per Angel
2003 Premio Miglior attore televisivo per Angel
2002 Candidatura Miglior attore televisivo per Angel
2001 Candidatura Miglior attore televisivo per Angel
2000 Premio Miglior attore televisivo di genere per Angel
2015 Candidatura Migliore attore in una serie crime
2015 Candidatura Migliore intesa sul piccolo schermo per Bones
2012 Candidatura Migliore attore in una serie drammatica
2012 Candidatura Miglior attore in una serie televisiva dramma per Bones
2011 Candidatura Miglior attore in una serie televisiva dramma per Bones
2009 Recitazione
2008 Recitazione
1996 Recitazione
2001 Recitazione
David Boreanaz e Amy Acker hanno commentato online le accuse a Joss Whedon offrendo il loro sostegno alle vittime di abusi.
David Boreanaz ha pubblicato su Twitter un messaggio di sostegno all'Italia in quarantena ma ha confuso la bandiera italiana con quella ivoriana.
Angel, la serie spinoff di Buffy - L'ammazzavampiri, sta per compiere 20 anni e David Boreanaz ha svelato che potrebbe tornare sugli schermi tv per celebrare l'anniversario.
Bones, la serie targata Fox, ha dato vita a una causa milionaria tra la produzione e i protagonisti David Boreanaz ed Emily Deschanel, che ne sono usciti vincitori.
La notizia del reboot di Buffy - l'ammazzavampiri ha visto insorgere i fan della serie, ma Sarah Michelle Gellar e David Boreanaz hanno cercato di placare gli animi.