Davide Valsecchi passe à la monoplace à l'âge de 16 ans, dans le championnat d'Italie de Formule Renault. Il y reste pendant trois ans, avec pour meilleur classement final une septième place. Il participe également à ce championnat pendant ces années et se classe septième en 2005. En 2006 et 2007, il participe aux World Series by Renault, où il remporte une seule victoire, sur le Nürburgring.

L'année suivante, il se retrouve en GP2 chez Durango, mais les résultats ne sont pas toujours au rendez-vous, malgré une victoire à Monza. Toujours chez Durango en 2009, il termine quatrième du GP2 Asia, à un point de Roldán Rodríguez. La saison européenne ne se présente pas sous les mêmes auspices : Davide ne participe qu'à six manches chez Durango, avec un seul podium en Turquie, avant de rejoindre l'écurie Addax pour remplacer Romain Grosjean, parti en Formule 1.

En 2010, il remporte le GP2 Asia avec l'écurie iSport, avec trois victoires à la clé. Cependant, lors du championnat européen, il ne remporte qu'une victoire à Abu Dhabi et se classe huitième du championnat. Il est ensuite convié à effectuer des essais avec l'écurie Hispania Racing Team, battant les chronos de Bruno Senna et Christian Klien, les deux titulaires.

Il entame l'année 2011 dans le championnat GP2 Asia Series, qu'il remporte sur le circuit de Yas Marina. En avril, il fait ses débuts officiels en Formule 1 en tant que pilote d'essai pour l'écurie Team Lotus. Il prend le volant de la Lotus T128 lors de la première séance d'essais libres du Grand Prix de Malaisie, en remplacement de Heikki Kovalainen. La saison régulière des GP2 Series commence ensuite. Le point marquant de ses performances survient lors du week-end monégasque, où il s'impose lors de la course sprint, ce qui constitue sa seule victoire de la saison. Il termine la saison de GP2 Series à la huitième place du classement général. En novembre, il clôt sa saison sportive en participant aux essais pour jeunes pilotes à Abou Dhabi, toujours avec l'écurie Team Lotus.

En 2012, il rejoint l'écurie française DAMS pour la saison des GP2 Series. Dès le premier meeting, sur le circuit de Sepang, en Malaisie, il se classe deuxième de la course longue. Lors des deux week-ends de compétition consécutifs à Bahreïn, il signe trois victoires. Après ce magnifique début de saison, il maintient sa position de leader au classement général, malgré la remontée de Luiz Razia. Il monte sur le podium à plusieurs reprises durant l'été. Lors de l'avant-dernière manche, à Monza, il remporte la course sprint. Le titre se joue lors du dernier rendez-vous de la saison, à Singapour. Sa quatrième place lors de la course principale lui suffit pour remporter le titre de champion de GP2 Series. En novembre, il met un terme à sa saison sur les essais des jeunes pilotes de Formule 1 sur le circuit de Yas Marina, où il prend le volant de la Lotus E20 de l'écurie Lotus F1 Team.

En 2013, Davide Valsecchi occupe le poste de pilote de réserve chez Lotus F1 Team. En fin de saison, alors que Kimi Räikkönen est forfait pour les deux dernières épreuves, l'équipe choisit de titulariser le pilote expérimenté Heikki Kovalainen à sa place. Ce choix marque la fin de ses perspectives de carrière en tant que titulaire en Formule 1.

A partir de 2014, le pilote italien oriente son activité vers d'autres catégories de sport automobile. Il effectue des essais en IndyCar aux Etats-Unis avec l'écurie Schmidt Peterson Motorsports et participe à quelques épreuves de l'International GT Open. En 2016, il dispute une saison partielle en Blancpain GT Series Sprint Cup, au volant d'une Lamborghini Huracán, sous les couleurs des équipes Attempto Racing puis GRT Grasser Racing.

Sa reconversion médiatique a débuté parallèlement à ses dernières apparitions sur la piste. Il rejoint la chaîne Sky Sport Italia, où il devient l'un des consultants principaux des retransmissions de Formule 1. Il officie durant plusieurs années en tant qu'analyste sur la grille de départ et dans le paddock, formant un duo régulier avec la journaliste Federica Masolin. Il prête également sa voix aux commentaires des championnats de Formule 2 et de Formule 3 pour les diffusions internationales produites par la FOM.

Début 2024, il quitte officiellement l'équipe de Sky Sport Italia après sept saisons de collaboration. Il se lance alors dans ses propres projets de communication numérique, notamment via sa plateforme « Valse On the Road » et une chaîne YouTube consacrée à l'actualité automobile. Ses activités se concentrent désormais sur la création de contenu médiatique et sur l'expertise technique lors d'événements liés aux sports mécaniques.