Denzel Washington entreprend des études de biologie à la Fordham University, puis se tourne vers le théâtre. Il suit deux ans de formation à l'American Conservatory Theatre de San Francisco et joue à la fois les grands classiques et des pièces contemporaines, comme When the chickens come home to roost, où il incarne déjà Malcolm X. Il fait ses premières armes à la télévision en 1977 dans Wilma de Bud Greespan. Après un début au cinéma dans Carbon copy (1981), il tourne A soldier's story (Norman Jewison, 1984). Le personnage de Steve Biko, martyr de la lutte anti-apartheid dans Cry freedom (Richard Attenborough, 1987), lui vaut une nomination à l'Oscar du meilleur second rôle, récompense qu'il obtiendra finalement deux ans plus tard, pour sa prestation dans Glory (Edward Zwick).

En 1990, il entame une juteuse collaboration avec Spike Lee, qui lui confie le personnage principal de Mo' better blues. Suivront en 1992 le biopic Malcolm X, une prestation pour laquelle Denzel Washington sera nommé à l'Oscar du Meilleur acteur, et treize ans plus tard le film de braquage Inside man (2005). En 1993, il revient à Shakespeare avec Beaucoup de bruit pour rien de Kenneth Branagh. La même année, Jonathan Demme (Le Silence des agneaux) le dirige en avocat de la partie civile dans Philadelphia aux cotés de Tom Hanks. Le succès international du film fait du comédien l'un des plus grands acteurs noir-américains de l'histoire du cinéma.

Denzel Washington incarne par la suite un journaliste d'investigation dans L'Affaire Pélican (Alan J. Pakula, 1993). En phase de devenir l'un des chouchous d'Hollywood, il enchaîne des films aussi divers que Le Diable en robe bleue (Carl Franklin, qu'il retrouvera pour les besoins du polar Out of time) et Bone collector (Phillip Noyce, 1998). En 1999, Norman Jewison lui offre un rôle à sa taille (et sa carrure !), celui du véritable boxeur Rubin Carter dans Hurricane Carter. Juste, crédible, émouvant, le comédien est encensé par la critique et obtient un Golden Globe, ainsi que l'Ours d'argent à Berlin pour sa prestation. En 2002, il devient, après Sidney Poitier en 1964, le second comédien noir américain à remporter l'Oscar du Meilleur acteur pour sa prestation de flic ripou dans Training Day d'Antoine Fuqua aux côtés d'Ethan Hawke.

Dès lors, après s'être essayé à la réalisation avec le drame Antwone Fisher (2003) (expérience qu'il réitérera en 2007 avec The Great Debaters), Denzel Washington se fait homme d'action devant la caméra et se cantonne la plupart du temps à des rôles de policiers ou d'hommes ayant un lien avec la loi. Il en fait sa marque de fabrique dès 2004 en retrouvant Jonathan Demme pour Un Crime dans la tête (2004), puis en entamant une longue collaboration avec Tony Scott, un des maîtres du film d'action avec qui il avait déjà tourné USS Alabama en 1995. Il signe avec lui des films au succès mitigé tels que Man on fire (2004), dans lequel il joue un ex-agent de la CIA reconverti en garde du corps meurtri, ou encore Déjà Vu, centré sur les voyages dans le temps.

Denzel Washington côtoie également Ridley Scott pour American Gangster en 2007, dans un rôle où on ne l'attendait pas forcément, celui du véritable trafiquant de drogue Franck Lucas, faisant face à un policier intègre campé par Russell Crowe. S'en suivent L'Attaque du métro 123 (2009) et Unstoppable (2010), où le réalisateur de Top Gun, après s'être attaqué aux avions et aux bateaux, nous embarque à bord de différents transports ferroviaires. A l'approche de la soixantaine, l'acteur privilégie les films d'action et les rôles physiques (Le Livre d'Eli en 2010, Sécurité rapprochée en 2012, 2 Guns en 2014 ou encore The Equalizer la même année), excepté dans Flight (2013) signé Robert Zemeckis, dans lequel il livre une prestation de pilote d'avion alcoolique qui est mémorable.

En 2016, Denzel se glisse dans la peau du justicier Sam Chisolm dans Les 7 mercenaires, remake du classique de 1960. Il retrouve pour l'occasion Antoine Fuqua et Ethan Hawke. L'année suivante, le comédien retourne derrière la caméra pour réaliser Fences, un drame familial poignant dans lequel il fait équipe avec Viola Davis. Variant les prestations, il campe un avocat idéaliste que déterminé dans L'Affaire Roman J. et se lance à la poursuite d'un tueur en série dans Une affaire de détails. Parallèlement, il reprend du service dans Equalizer 2 et 3, et joue le rôle-titre de The Tragedy of Macbeth de Joel Coen, adaptation moderne de la célèbre pièce de Shakespeare. Prochainement, on le verra à nouveau sous la houlette de Ridley Scott dans Gladiator 2.