David Gilmour, zoon van een docenten-paar, studeerde aan Cambridgeshire College of Arts and Technology.
Gilmour begon zijn muzikale carrière bij de groep Jokers Wild, een band die vooral covers bracht van Chuck Berry, The Beach Boys, Manfred Mann, Wilson Pickett en The Kinks. In 1967 sloot hij zich aan bij Pink Floyd, in 1968 werd hij leadgitarist en mede-vocalist. Toen Roger Waters na ruzie in 1985 de groep verliet, werd Gilmour de nieuwe leider van Pink Floyd.
Naast zijn carrière bij Pink Floyd bracht hij ook soloalbums uit, speelde bij tal van grote artiesten als sessiemuzikant en produceerde. Ook heeft hij een aantal artiesten ontdekt en geholpen; de bekendste daarvan is waarschijnlijk Kate Bush.
David Gilmour staat bekend om zijn heldere eenvoudige unieke (solo-)gitaarspel en speciale demptechnieken. Hij speelt meestal op een Fender Stratocaster.
Zijn gitaarsolo in Comfortably Numb, een compositie van Gilmour en Roger Waters, werd in 2007 door het Britse muziekblad Q verkozen tot beste gitaarsolo aller tijden.
Gilmour staat bekend als multi-instrumentalist, zo bespeelt hij naast de gitaar ook de drums, piano, saxofoon en mondharmonica.
Op 20 juni 2019 veilde Gilmour een flink deel van zijn instrumenten. Zijn zwarte Stratocaster werd voor 3.975.000 dollar verkocht. Dat is het hoogste bedrag dat ooit voor een gitaar is betaald. In totaal haalde hij met die veiling zo’n 21 miljoen dollar op voor ClientEarth.