Родился 15 июля 1965 г. в Лондоне.
Отец — Ральф Милибэнд (англ. Ralph Miliband, урождённый Адольф Милибан, фр. Adolphe Miliband, 1924—1994) — был известным на Западе теоретиком марксизма (близкий Франкфуртской школе, но не входивший в неё), родившийся в Брюсселе в семье евреев-выходцев из Варшавы. В 1940 году (в 16 лет) вскоре после оккупации Бельгии нацистской Германией с родителями нелегально переправился через Ла-Манш на лодке из Остенде в Лондон, где вскоре семья получила политическое убежище. Тогда же из соображений ненависти к Гитлеру и нацистам он сменил имя с Адольфа на Ральф.
Мать — Марион (урожденная Добра-Ента) Козак, родилась в 1934 в Ченстохове После нацистской оккупации была заключена в Ченстоховское гетто, откуда бежала вместе с матерью, скрывалась, по одной из версий, в католическом монастыре.
Брат — Эд Милибэнд — был до поражения лейбористов на выборах 2010 года британским министром энергетики и по вопросам изменения климата в том же кабинете, что и Дэвид.
Окончил отделение философии, политики и экономики Оксфордского университета, в 1990 году закончил отделение политологии Массачусетского технологического института в Кембридже.
Имеет троюродную тётю в Москве — Софью Давидовну Милибанд (р. 1922).
Женат, имеет двух приёмных сыновей из США, усыновлённых новорожденными в 2004 и 2007 годах.
Жена — Луи Шекелтон, скрипач.
В 1989—1994 годах работал аналитиком в Институте изучения общественной политики. В 1992—1994 годах занимал пост Секретаря комиссии Великобритании по социальной справедливости. С 1994 года — советник премьер-министра Энтони Блэра. В 2001 году избран в Палату общин от графства Тайн и Уир. В 2005—2006 годах — министр местного самоуправления. С 2006 года занимал пост министра охраны окружающей среды, продовольствия и по вопросам сельскохозяйственного развития в правительстве Блэра.
28 июня 2007 года, на следующий день после назначения премьер-министром Великобритании Гордона Брауна, назначен министром иностранных дел.
Начало его деятельности на этом посту сразу же ознаменовалось крупным дипломатическим скандалом, связанным с отказом России экстрадировать подозреваемого Королевской прокуратурой в убийстве Александра Литвиненко российского бизнесмена Андрея Лугового.
11 мая 2010 года вышел в отставку вместе со всем кабинетом Брауна.
25 сентября 2010 года Дэвид Милибэнд в борьбе за пост лидера Лейбористской партии уступил своему брату Эдварду. В четвёртом раунде за Дэвида проголосовало 49,35 % делегатов партийной конференции, а за Эда Милибэнда, которого поддержали профсоюзы, было отдано 50,65 % голосов.