David Boreanaz nasce a Buffalo, New York, il 16 maggio 1969. Figlio di un meteorologo televisivo di origine italiana, Dave Roberts (pseudonimo di Dave Thomas Boreanaz), e Patti Boreanaz, un'agente di viaggio, David cresce a Philadelphia, in Pennsylvania, dove si trasferisce con la famiglia all'età di 9 anni. Durante il liceo è un appassionato atleta della squadra di football della sua scuola. Nel 1991 si laurea in cinema e fotografia all'Ithaca College, un istituto privato nello Stato di New York, e subito raggiunge Los Angeles per intraprendere la carriera di attore.
Comincia con piccoli ruoli, incluso uno da guest star nella sitcom Sposati... con figli. Il successo arriva nel 1997, quando WB gli affida il ruolo di co-protagonista - il misterioso e affascinante vampiro Angel - in Buffy di Joss Whedon. Boreanaz ottiene la parte dopo essere stato presentato alla produttrice Marti Noxon da un suo vicino di casa, che allo stesso modo di Whedon rimane colpito dalla sua "enorme bellezza". In Buffy affianca un'altra attrice emergente, Sarah Michelle Gellar. Il personaggio conquista il pubblico, al punto che i produttori decidono di dargli maggiore spazio con uno spin-off, Angel, in onda dal 1999 fino al 2004 per cinque stagioni.
Recita in alcuni film, tra cui Il corvo: Preghiera maledetta e The Mighty Macs. È in tv, però, che continua a raccogliere consensi. Subito dopo la conclusione di Angel, FOX lo ingaggia per il ruolo dell'agente dell'FBI Seeley Booth nel crime drama Bones. Nel frattempo recita anche in tre episodi della prima stagione del drama antologico Full Circle, scritto da Neil LaBute, e presta la voce alla versione animata di se stesso in un episodio de I Griffin e American Dad!. Di Bones dirige diversi episodi, incluso il numero 200, ma non si tratta della sua prima esperienza dietro la macchina da presa. Comincia con Angel nel 2004, cui segue un episodio de Il risolutore (The Finder), il breve spin-off di Bones.
Nel 2010 e 2011 tra i 20 uomini più sexy del mondo, Boreanaz è sposato con l'attrice ed ex coniglietta di Playboy Jaime Bergman, con la quale ha due figli. I due si sposano nel 2001, due anni dopo il divorzio dell'attore dalla prima moglie, Ingrid Quinn. Nel 2010 resta coinvolto nello scandalo di Tiger Woods, trovandosi costretto ad ammettere di avere avuto una relazione extraconiugale con Rachel Uchitel mentre sua moglie era incinta. Emily Deschanel, sua co-star in Bones, è tra le sue migliori amiche.
