Daniel Day-Lewis estudió actuación en la Bristol Old Vic School. Hizo su debut cinematográfico en Sunday Bloody Sunday (1971), pero luego actuó en el teatro con las compañías Bristol Old Vic y Royal Shakespeare y no volvió a aparecer en pantalla hasta 1982, cuando consiguió su primer papel adulto, un pequeño papel en Gandhi (1982). También apareció en la televisión británica ese año en Frost in May (1982) y How Many Miles to Babylon? (1982). Actuaciones teatrales notables incluyen Another Country (1982-83), Dracula (1984) y The Futurists (1986).

Su primer papel de reparto importante en un largometraje fue en The Bounty (1984), seguido rápidamente por My Beautiful Laundrette (1985) y A Room with a View (1986). Estas dos últimas películas se estrenaron en Nueva York el mismo día, ofreciendo al público y a los críticos evidencia de su notable versatilidad y estableciéndolo como un talento importante. Los críticos de cine de Nueva York lo nombraron Mejor Actor de Reparto por esas actuaciones. En 1986, apareció en el escenario en "The Futurists" de Richard Eyre y en televisión en la producción de Eyre The Insurance Man (1986). También tuvo un pequeño papel en una película británica/francesa, Nanou (1986). En 1987, asumió el estatus de protagonista en The Unbearable Lightness of Being (1988) de Philip Kaufman, seguido de un papel cómico en la fallida Stars and Bars (1988). Su brillante actuación como Christy Brown en My Left Foot: The Story of Christy Brown (1989) de Jim Sheridan le valió numerosos premios, incluido el Premio de la Academia al Mejor Actor.

Regresó al escenario para trabajar nuevamente con Eyre, como Hamlet en el National Theater, pero se vio obligado a abandonar la producción cerca del final de su temporada debido al agotamiento, y no ha aparecido en el escenario desde entonces. También se tomó un descanso del cine hasta 1992, cuando protagonizó The Last of the Mohicans (1992), una película que recibió críticas mixtas pero fue un gran éxito en taquilla. Trabajó con el director estadounidense Martin Scorsese en The Age of Innocence (1993), basada en la novela de Edith Wharton. Posteriormente, se unió nuevamente a Jim Sheridan para protagonizar In the Name of the Father (1993), una actuación aclamada por la crítica que le valió otra nominación al Premio de la Academia. Su siguiente proyecto fue en el papel de John Proctor en la obra de Arthur Miller The Crucible (1996), dirigida por Nicholas Hytner. Trabajó con Scorsese nuevamente para protagonizar Gangs of New York (2002), otra actuación aclamada por la crítica que le valió otra nominación al Premio de la Academia al Mejor Actor.

A Daniel Day-Lewis se le ofreció el papel principal en la película The Ballad of Jack and Rose (2005), en la que interpretó a un hombre moribundo con remordimientos por cómo había evolucionado su esposa y por cómo había criado a su hija adolescente. Durante el rodaje, arregló vivir separado de su esposa para lograr el "aislamiento" necesario para concentrarse en la realidad de su propio personaje. La película recibió críticas mixtas. En 2007, protagonizó la adaptación libre de la novela "Oil!" de Upton Sinclair, titulada There Will Be Blood (2007), dirigida por Paul Thomas Anderson. Day-Lewis recibió el Premio de la Academia al Mejor Actor, el Premio BAFTA al Mejor Actor en un Papel Protagónico, el Globo de Oro al Mejor Actor - Película Dramática, el Premio del Sindicato de Actores a la Mejor Actuación de un Actor Masculino en un Papel Protagónico, y una variedad de premios de círculos de críticos de cine por el papel. En 2009, Day-Lewis protagonizó la adaptación musical Nine (2009) de Rob Marshall como el director de cine Guido Contini. Fue nominado al Globo de Oro al Mejor Actor - Película Musical o Comedia y al Premio Satellite al Mejor Actor - Película Musical o Comedia.