Fils aîné de l'acteur John Carradine, frères de Keith Carradine et Robert Carradine.

David Carradine suit des études musicales au Collège d'Etat de San Francisco et se découvre une vocation de comédien en participant comme musicien aux spectacles de la section d'art dramatique de son université. Il rejoint alors une compagnie de répertoire shakespearien, dans laquelle il acquiert sur le tas les bases de son futur métier.

Après avoir rempli ses obligations militaires, David Carradine travaille comme dessinateur publicitaire à New York puis renoue avec la scène thêatrale en interprétant The Deputy à Broadway et en donnant la réplique à Christopher Plummer dans The Royal hunt of the sun. Fort de ces succès, il retourne à Hollywood pour apparaître dans son premier film, Taggart (1965) de R.G. Springsteen et participer à la série Shane (1966) avant de tenir aux côtés de Barbara Hershey la vedette du premier long métrage de studio de Martin Scorsese, Bertha Boxcar (1972).

La même année, il crée le personnage de Kwai Chang Caine pour la série télévisée Kung fu. Développée à l'origine par et pour Bruce Lee, ce feuilleton connaît un succès instantané, remportant au cours de sa première saison pas moins de sept citations à l'Emmy. Connu du grand public, David Carradine revient au cinéma en incarnant le chanteur compositeur libertaire Woody Guthrie dans En route pour la gloire (1976) de Hal Ashby. Cette prestation lui vaut le prix du National Board of Review et une citation au Golden Globe.

Remarqué par le réalisateur Ingmar Bergman, David Carradine décroche en 1977 le rôle d'un trapéziste juif américain dans L'Oeuf du serpent. Trois ans après, il retrouve ses deux frères Keith et Robert pour le tournage du Gang des frères James (1980), un western de Walter Hill. En 1981, il s'essaie à la réalisation avec Americana, un drame qu'il interprète lui-même et qui remporte le Prix du public à la Quinzaine des réalisateurs du Festival de Cannes.

Les années 80 sont moins florissantes pour l'acteur qui enchaîne à vitesse grand V des séries B comme Lone Wolf McQuade (1983) avec Chuck Norris, Rio abajo (1984) aux côtés de Victoria Abril ou encore Armed response (1986), où il donne la réplique à Lee Van Cleef. David Carradine renoue temporairement avec le succès en se lançant aux trousses de Mel Gibson dans la comédie d'action Comme un oiseau sur la branche (1990), mais replonge aussitôt dans des productions destinées directement au rayon vidéo. En 2002, Quentin Tarantino lui offre un rôle en or, celui du criminel Bill, chef du Détachement des Vipères Assassines, auquel est confrontée Uma Thurman dans Kill Bill et sa suite, Kill Bill : Volume 2.

Il décède en 2010 lors du tournage de son dernier film, Stretch, réalisé par Charles de Meaux.