После окончания в 1960 г. медицинского колледжа в Суортморе, Пенсильвания, Дэвид Балтимор изучал молекулярную биологию и вирусологию, получил докторскую степень (1964), работал в Институте биологических исследований им. Дж. Солка в Сан-Диего, Калифорния. В 30 лет он стал профессором Массачусетсского технологического института (Бостон). В лабораториях этого крупнейшего исследовательского и учебного центра Дэвид Балтимор провёл серию опытов с вирусом полиомиелита, а затем с вирусами, вызывающими опухоли различного вида. В ходе этих экспериментов он определил новые возможности переноса генетической информации в живых тканях. Это позволило открыть механизм возникновения многих видов злокачественных опухолей и лейкозов.

После этого Дэвид Балтимор разработал методы искусственного синтеза генов и тем самым заложил основы генной инженерии, которая буквально перевернула все представления о перспективах биологии: появилась возможность "конструировать" живые ткани животных и растений с заранее заданными свойствами. В 1975 г. 37-летний профессор Балтимор был удостоен (совместно с Х. Темином и Р. Дульбекко) Нобелевской премии по физиологии и медицине, его избрали членом Национальной академии наук США, членом Лондонского королевского научного общества, доктором ряда крупнейших университетов мира. В 1999 г. президент Клинтон наградил Балтимора Национальной медалью науки.

В 1986 г. Балтимор возглавил Комитет по исследованиям СПИДа Национального института здоровья США. В 1990-91 гг. он был президентом Рокфеллеровского Университета в Нью-Йорке, а в 1997-2006 гг. - президентом Калифорнийского технологического института (знаменитый Калтек). Выйдя в отставку, занял пост председателя Совета директоров Амерканской ассоциации развития естественных наук.

Балтимор выступает против сомнительных в этическом отношении экспериментов в области генной инженерии, которые, по его мнению, могут привести к самым непредсказуемым последствиям для судеб человечества.

Имя Дэвид - английская форма библейского имени Давид. Фамилия Балтимор происходит от английской формы ирландского выражения Baile an Tí Mhóir, означающего "город большого дома".