Filho de pais judeus, ele cresceu na cidade e se formou em Literatura Inglesa pela Universidade de Princeton. Posteriormente, obteve um mestrado na mesma área pela Universidade de Yale. Durante sua juventude, Duchovny praticou basquete e desenvolveu interesse por literatura.

Sua carreira artística teve início no final dos anos 1980, com participações em filmes como "Uma Secretária do Futuro" e "New Year's Day". Nos anos seguintes, atuou em produções como "Chaplin", "Kalifornia: Uma Viagem ao Inferno" e "O Juizo Final".

Duchovny conseguiu fama internacional ao interpretar o agente do FBI Fox Mulder na série de televisão "Arquivo X" em 1993. A produção se tornou um dos maiores fenômenos televisivos da década de 1990 e um marco da cultura pop.

O enredo principal acompanhava investigações do FBI sobre casos inexplicáveis, conhecidos como Arquivos X. Mulder, um investigador obcecado por fenômenos paranormais e teorias de conspiração, que acreditava que a irmã havia sido abduzida por extraterrestres na infância.

Mulder formava dupla com a agente Dana Scully, interpretada por Gillian Anderson, médica e cética que buscava explicações científicas para os mistérios investigados. A química entre Duchovny e Anderson foi um dos pilares do sucesso da série e todos torciam para os personagens ficarem juntos.

Ao todo, foram mais de 200 episódios ao longo de 25 anos de história, incluindo dois filmes: "Arquivo X: O Filme" e "Arquivo X: Eu Quero Acreditar".

A série ficou conhecida, também, por frases icônicas, como "A verdade está lá fora", exibido no final da abertura de cada episódio e "Não confie em ninguém".

Pelo papel de Fox Mulder, Duchovny recebeu grande reconhecimento da crítica. Ele foi indicado ao Emmy e ao Screen Actors Guild Awards, além de conquistar um Globo de Ouro de Melhor Ator em Série Dramática em 1997.

Depois, ele protagonizou outra série de sucesso, "Californication" entre 2007 e 2014, como Hank Moody. Esse papel lhe garantiu outro Globo de Ouro.

Duchovny também se dedica à literatura e à música. Ele publicou livros como "Real como um relâmpago" e "O reservatório".

Um de seus romances, ?Vencendo Sem Parar? foi adaptado para o cinema com direção e roteiro do próprio Duchovny. A trama acompanha Ted, que volta a morar com o pai gravemente doente. Ao notar que a saúde do pai melhora quando seu time de beisebol vence, ele decide criar um plano para fazê-lo acreditar que a equipe está em uma improvável sequência de vitórias.

Duchovny também lançou recentemente um livro de poesia intitulado "About Time", explorando temas de tempo e reflexão.

Na música, lançou três álbuns: "Hell or Highwater", "Every Third Thought" e "Gestureland". Também faz shows em diversos locais.

Duchovny foi casado com a atriz Téa Leoni de 1997 a 2014, com quem teve dois filhos: Madeleine West, nascida em 1999 e Kyd Miller, nascido em 2002.