Davide Valsecchi inizia a correre con le monoposto nel 2003, partecipando alle competizioni della Formula Renault fino al 2007.

In occasione della GP2 Asia Series 2009-2010 inizia a correre per la iSport International; vince tre gare e sale altre tre volte sul podio, riuscendo ad ottenere il titolo con tre corse di anticipo.

Nel 2010 disputa anche il suo primo test in Formula 1 con la HRT sul circuito di Abu Dhabi prima di essere ingaggiato come collaudatore dalla Lotus l’anno successivo; il suo debutto in Formula 1 avviene durante la prima sessione di prove libere del GP della Malesia, dove guida la vettura di Heikki Kovalainen.

Nel 2012 viene ingaggiato dalla DAMS e nel 2013 assume il ruolo di terzo pilota dalla Lotus in Formula 1.

Nel 2014 gareggia ll’International GT Open con una Lamborghini Gallardo GT3 del team Eurotech Engineering, in equipaggio con Giovanni Venturini. Dal 2016 corre con la Lamborghini Huracan GT3 nel Trofeo Blancpain Sprint Series. Dal 2013 è commentatore tecnico del Mondiale di Formula 1 per Sky Sport F1.

Nel 2016 Davide ha condotto insieme a Guido Meda e Joe Bastianich la trasmissione Top Gear Italia in onda su Sky Uno.