Figlio dell'avvocato Lewis Raymond Doyle e di Mary Ruth Fitzgerald, David Doyle studiò alla Campion High School di Prairie du Chien (Wisconsin), dove si diplomò nel 1947.
Interprete inizialmente teatrale, apparve sul palcoscenico in numerosi lavori, tra i quali da ricordare Il Tartufo di Molière, nel quale interpretò il ruolo del capofamiglia Orgon, nell'adattamento del poeta Richard Wilbur messo in scena al Fred Miller Theater di Milwaukee. Successivamente lavorò in diverse occasioni a Broadway durante gli anni sessanta.
Lavorò poi nel cinema, ma la sua fama è principalmente legata al personaggio di John Bosley nel telefilm Charlie's Angels, di cui Doyle interpretò tutti i 110 episodi della serie, dal 1976 al 1981. Successivamente, dal 1991 fino alla morte, prestò la sua voce dal ruvido timbro al personaggio di Lou Pickles, il nonno della serie televisiva a cartoni animati Rugrats.