Неудачно закончилась его первая попытка записаться в футбольную школу, в клубе «Овьедо», зато его приняли в команду родного города Лангрео. Там футболист тренировался до 1999 года, когда талантливого парня пригласили в главную команду Астурии — хихонский «Спортинг», чья академия воспитала много известных футболистов — Кини, Луиса Энрике, Ангуло и др.

Сезон 2000/01 нападающий провёл в дубле «Спортинга» — команде «Спортинг-B», которая выступала в третьем дивизионе. Уже в следующем сезоне он стал постоянно выходить на поле за главную команду в Сегунде и забил 18 голов, сразу став лидером атаки и штатным пенальтистом «Спортинга». Еще 20 голов в следующем чемпионате сделали Вилью звездой второго испанского дивизиона — его стали приглашать в молодежную сборную Испании, а летом 2003 года нападающий перешёл в клуб высшего дивизиона «Сарагосу».

В новой команде Вилья также начал исполнять пенальти, и один из них помог «Сарагосе» завоевать Кубок Испании, переиграв в финале мадридский «Реал» — 3:2. В Примере Вилья забил 18 мячей. Успех в кубке страны дал клубу право выступать в Кубке УЕФА 2004/05. В 2005 году игрок перешёл в «Валенсию».

Сразу же в первом сезоне за «Валенсию» Вилья забил 25 мячей (проведя 37 игр) в Примере и стал вторым (после Самуэля Это’О) лучшим бомбардиром чемпионата. За всю историю «Валенсии» только двое футболистов забивали за одно первенство больше голов. Результат Давида Вильи стал третьим показателем за всё время.

Дебютировал в национальной сборной Испании 9 февраля 2005 года в матче против сборной Сан-Марино. Участник чемпионата мира 2006 года, забил на этом турнире 3 гола.

Достижения

Обладатель Кубка Испании (2): 2004 («Сарагоса»), 2008 («Валенсия»)

Обладатель Суперкубка Испании: 2004