David Cronenberg est né à Toronto, où il vit toujours actuellement. Il est le fils d'Esther Sumberg, pianiste, et Milton Cronenberg, écrivain et éditeur, d'origine juive lituanienne. Il étudie au Harbord Collegiate Institute, puis est diplômé en littérature de l'University College (Université de Toronto) après avoir commencé à étudier les sciences. Il cite William S. Burroughs et Vladimir Nabokov comme influences majeures. Sa sœur, Denise Cronenberg, est costumière.
Au Festival International du Film de Toronto 2011. Malgré des études de sciences, Cronenberg se tourne rapidement vers le milieu artistique, notamment la « scène underground » de Toronto. Dans la veine du cinéma expérimental new-yorkais, il réalise deux courts métrages : Transfer en 1966 et From the Drain en 1967. Il passe au long métrage en 1969 avec Stereo, puis Crimes of the Future l'année suivante. Ses premières réalisations sont financées par des sociétés de production de films pornographiques. On y retrouve déjà ses thèmes de prédilection : la sexualité, le corps humain comme terrain d'expérimentation, le danger de la contamination, la médecine et la psychanalyse.
Au début des années 1970, il réalise de nombreux téléfilms. Il revient au cinéma en 1975 avec Frissons. Ce film et les deux suivants, Rage et Chromosome 3, mêlant horreur et science-fiction, choquent quelques critiques mais offrent à Cronenberg un statut de cinéaste « culte » par l'effroi qu'il arrive à susciter avec une remarquable économie de moyens. Il connaît son premier succès commercial en 1981 avec Scanners. Il confirme cela deux ans après avec Vidéodrome, un film avec James Woods sur le pouvoir des médias. Fort de ce succès, il s'attelle ensuite à l'adaptation du roman de Stephen King, Dead Zone, dans un film homonyme en 1983 avec Christopher Walken.
La reconnaissance internationale vient en 1986 avec La Mouche, remake de La Mouche noire, film fantastique des années 1950 réalisé par Kurt Neumann. Dans ses films suivants, il délaisse le cinéma d'épouvante tout en conservant son style habituel. Dans Faux-semblants (1988), il évoque ainsi la relation si particulière entre des frères jumeaux, joués par Jeremy Irons. En 1991, il adapte le célèbre roman Le Festin nu de William S. Burroughs, réputé inadaptable.
En 1996, Cronenberg adapte un autre écrivain culte, J. G. Ballard, avec Crash, film sur la fascination sexuelle qu'exercent les accidents de voiture. L'œuvre, assez controversée, obtient le Prix spécial du jury au 49ème Festival de Cannes. Passionné par les rapports entre l'humain et la technologie, Cronenberg réalise eXistenZ en 1999 avec Jude Law, dans lequel il explore les frontières floues entre monde réel et réalité virtuelle. La même année, il préside le jury du 52ème Festival de Cannes. En 2002, Spider, sa nouvelle réalisation, « étudie » l'esprit d'un schizophrène joué par Ralph Fiennes.
En 2005, il signe une fable sur la violence refoulée dans la société américaine, A History of Violence, adaptée du comic éponyme avec Viggo Mortensen, qu'il retrouve ensuite en 2007 dans Les Promesses de l'ombre. Ce film, sur la mafia russe à Londres, est le premier que Cronenberg tourne entièrement hors du Canada.
En 2008, il prend la direction de deux projets extra-cinématographiques : l'exposition Chromosomes au Palazzo delle Esposizioni de Rome et l'opéra La Mouche, d'après son propre film, au Los Angeles Opera et au Théâtre du Châtelet à Paris.
En 2010, il réalise A Dangerous Method, version cinématographique de la pièce de théâtre The Talking Cure de Christopher Hampton. Sélectionné à la 68ème Mostra de Venise et sorti en décembre 2011 en France, le film revient sur la rivalité entre les psychanalystes Carl Jung et Sigmund Freud.
En 2012, il écrit et réalise Cosmopolis, tiré du roman éponyme de Don DeLillo, avec Robert Pattinson comme tête d'affiche. Le film est sélectionné en compétition au 65ème Festival de Cannes. La réception critique est divisée sur ce long métrage au ton absurde, futuriste et sarcastique, qui explore le penchant monstrueux du capitalisme et du monde de la finance, devenu totalement abstrait. L'œuvre originale, qui reçut un accueil mitigé lors de sa publication, était en effet considérée comme inadaptable en raison de son style sophistiqué et de ses nombreux dialogues littéraires.
En 2014, Cronenberg met en scène Maps To The Stars, un film sur des familles de stars à Hollywood. Le film se conçoit comme une virulente critique des valeurs d'Hollywood et du cinéma contemporain (opportunisme, régression, décadence, manipulation). Il ouvre aussi une réflexion sur les conséquences de « l'usine à rêves » sur le comportement individuel et la confusion entre fantasme, images mentales et réalité objective. Le scénario est écrit par Bruce Wagner. Maps to the Stars est en compétition au {{67e}} Festival de Cannes. La distribution inclut John Cusack, Julianne Moore qui remportera le Prix d'interprétation féminine, Mia Wasikowska et Robert Pattinson pour sa seconde collaboration avec le cinéaste. L'œuvre est globalement bien reçue par la presse européenne lors de sa présentation cannoise{{,}}, mais l'accueil est plus mitigé du côté de la critique américaine. Le réalisateur fera ses premiers pas en littérature avec le roman Consumed, un thriller qui convoque journalisme et géopolitique. La sortie nord-américaine du roman est prévue pour septembre 2014, parallèlement à la sortie internationale de Maps To The Stars. Cronenberg songera ensuite à l'adaptation du roman par ses soins.