David Wheeler wurde als zweites von drei Kindern geboren. Seine Eltern Maureen und Alec Raymond Wheeler führten einen Spielzeugladen. Als Teenager begann er musikalisch aktiv zu werden und spielte in zwei Rockbands unter anderem Leadgitarre. Dies gefiel ihm zunächst und eine Karriere als Schauspieler kam ihm daher vorerst nicht in den Sinn. Später besuchte Wheeler in London die Guildhall School of Music and Drama zusammen mit Ewan McGregor und Naveen Andrews. Dort kam er zum ersten Mal mit der Schauspielerei in Berührung und trat der dortigen Theatergruppe bei. Da es in dem Verein schon ein Mitglied namens David Wheeler gab, musste er einen anderen Nachnamen tragen und wählte Thewlis, den Geburtsnamen seiner Mutter, der ihm als erster einfiel.
Am 7. September 2007 erschien sein erstes Buch mit dem Titel The Late Hector Kipling. Seine deutsche Stimme stammt seit 2007 überwiegend von Frank Röth, welcher ihn bereits in vorherigen Filmen wie Harry Potter und der Gefangene von Askaban sprach; in Ausnahmen wurde er noch von Matthias Klages und Wolfgang Condrus gesprochen.
1992 heiratete Thewlis die Schauspielerin Sara Sugarman, die Ehe wurde jedoch bereits 1993 geschieden. Es folgten weitere Beziehungen mit anderen Schauspielkolleginnen wie Kate Hardie und Anna Friel. Mit Letzterer hat Thewlis eine gemeinsame Tochter, die 2005 geboren wurde.
