Nació el 29 de abril de 1957 en Londres (Inglaterra). Daniel Michael Day-Lewis es hijo del poeta Cecil Day-Lewis y de la actriz Jill Balcon, quien a su vez era hija del afamado productor cinematográfico Michael Balcon, uno de los creadores de los Estudios Ealing, especialistas en humor británico con películas como «Whisky a Go-Go», «Ocho sentencias de muerte» u «Oro en barras».
Daniel tiene una hermana mayor, llamada Lydia Tamasin Day-Lewis, que se dedica a la elaboración de documentales.
Su último trabajo ha sido una película dirigida por su mujer Rebecca Miller, hija del dramaturgo Arthur Miller con la que se casó en 1996 y tiene dos hijos. La obra en cuestión es la muy bien lograda The Ballad of Jake and Rose («Nunca te dejaré»), la vida de un padre con enfermedad terminal y pasado hippie y su hija en lo que quedó de una comuna creada por aquel movimiento en los ´70.
Tiene un hijo anterior de la relación con la actriz Isabelle Adjani. También mantuvo una relación con Julia Roberts y la actriz Winonna Ryder.