David Wheeler nació el 20 de marzo de 1963 en Blackpool, Lancashire, Inglaterra, Reino Unido.

Cuando era adolescente tocó en una banda de rock llamada QED, y tocó la guitarra principal con una banda de punk llamada Door 66. Se inscribió en la Guildhall School of Music and Drama, en Londres, de donde se graduó en 1984.

Su primer papel profesional fue en la obra Buddy Holly en el Regal en Greenwich y su primera aparición televisiva fue en Valentine Park.

El papel decisivo de Thewlis llegó en 1993 con la película Naked, del director Mike Leigh, donde interpetó al personaje principal, Johnny, un filósofo callejero inteligente, amargado y divagante, por el cual Thewlis fue nombrado Mejor Actor por la Sociedad Nacional de Críticos de Cine, el London Film Critics Circle,

el Evening Standard, el Círculo de Críticos de Nueva York y el Festival de Cine de Cannes.

Durante la década de 1990, Thewlis apareció en una variedad de películas, en su mayoría de fantasía y de época, incluyendo Restauración, Belleza Negra, Eclipse en el corazón, La isla del Dr. Moreau, Corazón de dragón, y Siete años en el Tibet.

Otros créditos incluyen Pasión (1998) de Bernardo Bertolucci, Cruzada (2005) de Ridley Scott y El nuevo mundo (2005) de Terrence Malick. Asimismo, interpretó el rol de Remus Lupin en la saga de fantasía de Harry Potter. 

En 2017 Thewlis interpretó a Ares en Mujer Maravilla y repitió su papel en La Liga de la Justicia el mismo año.