D’Onofrio wuchs auf Hawaii, in Colorado und Miami auf. In Florida spielte er auch unter der Regie seines Vaters zum ersten Mal Theater. Anfang der 1970er Jahre zog er zurück nach New York, wo er zunächst am Broadway an einem Theaterabend mit zwei Stücken unter dem Titel Open Admissions debütierte und sich anschließend dem American Stanislavsky Theater anschloss. Dort wirkte er in Inszenierungen der Stücke Von Mäusen und Menschen, Der versteinerte Wald, The Indian Wants The Bronx und Sexuelle Perversionen in Chicago mit.
Im Jahr 1987 spielte er in der Miami-Vice-Folge In letzter Sekunde mit, in der er es zusammen mit Gangsterboss Calderone auf das Leben von Rico Tubbs (Philip Michael Thomas) abgesehen hat. Popularität erlangte er durch seine Darstellung des Soldaten Private Gomer Pyle (in der deutschen Version „Private Paula“) in Stanley Kubricks Film Full Metal Jacket. Für diese Rolle legte er über 30 Kilogramm an Gewicht zu und übertraf damit Robert De Niro mit 27,3 Kilogramm für Wie ein wilder Stier. Für The Salton Sea (2002) wiederholte D’Onofrio dies mit einer Zunahme von 20 Kilogramm.
Zweimal stellte D’Onofrio den Filmemacher Orson Welles dar: in dem Kurzfilm Five Minutes, Mr. Welles von 2005 wie auch 1994 in Ed Wood. Neben zahlreichen weiteren Filmrollen (unter anderem in Men in Black und The Cell), in denen er häufig psychopathische oder bösartige Charaktere verkörperte, erschien D’Onofrio auch in der Rolle eines Fischers in der Literaturverfilmung Salz auf unserer Haut. Von 2001 bis 2010 gehörte D’Onofrio in der Rolle des eigenwilligen Detectives Robert Goren zur Stammbesetzung der US-Krimiserie Criminal Intent. 2011 kehrte er für die letzte Staffel der Serie noch einmal in seine alte Rolle zurück. 2015 war er in Jurassic World zu sehen und übernahm außerdem die Rolle des Wilson Fisk/Kingpin in der Netflix-Serie Marvel’s Daredevil.
D’Onofrio ist auch als Regisseur tätig. 2010 wurde mit dem Horrormusical Don’t Go in the Woods sein Spielfilmdebüt veröffentlicht. 2019 folgte der Western The Kid – Der Pfad des Gesetzlosen.
D’Onofrio hat zwei ältere Schwestern. Von 1989 bis 1993 war er mit der Schauspielerin Greta Scacchi liiert, mit der er die Tochter Leila George (* 1992 in Australien) hat. Seit 1997 ist er mit Carin van der Donk verheiratet. Das Paar trennte sich 2003 vorübergehend, ist aber seit 2005 wieder zusammen; sie haben zwei Söhne.