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.
“Arquivo X” foi exibida originalmente de 1993 a 2002, somando nove temporadas. Em 2016, retornou com uma minissérie de seis episódios, e em 2018 ganhou uma décima primeira temporada, que encerrou oficialmente a saga.
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'.
Outra frase muito famosa é 'Eu quero acreditar', frase associada diretamente a Mulder e visível no pôster pendurado em seu escritório com a imagem de um disco voador.
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.
Nos últimos anos, esteve presente em diversas produções para o cinema e televisão. Atuou nos filmes 'O Que Acontece Depois', 'Cemitério Maldito: A Origem', 'Tom tem dez anos”, 'Adam Primeiro', “Feel Sitter 7” e apareceu na minissérie 'O Simpatizante'.
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.
Em fevereiro de 2025, se casou com a florista Monique Pendleberry, com quem mantém um relacionamento desde 2017.