Окончил психологическое отделение философского факультета МГУ (1953) и аспирантуру МГУ по кафедре психологии (1956). С 1959 работал в учреждениях АПН РСФСР и СССР: заведующий лабораторией психологии детей младшего школьного возраста (1961—1973), директор Института общей и педагогической психологии (1973—1983), с 1983 заведующий лабораторией умственного воспитания детей дошкольного возраста Института дошкольного воспитания АПН СССР.
С 1989 вице-президент АПН СССР, член-учредитель РАО (1992), вице-президент РАО (1992—1998). Член редколлегий журнала «Вопросы психологии» и «Психологического журнала», главный редактор «Российской педагогической энциклопедии».
Доктор психологических наук (1970), профессор (1973). Член-корреспондент (1974), действительный член АПН СССР (1978) и РАО (1992), почётный член Национальной академии образования США (1987), Заслуженный деятель науки РФ (1996), лауреат премии Президента РФ в области образования (1997).
Вместе с Д. Б. Элькониным и П. Я. Гальпериным создал новое направление в отечественной психологической науке — психологию формирования мыслительной деятельности учащихся.
Основные труды Давыдова: «Виды обобщения в обучении» (1972), «Проблемы развивающего обучения» (1986), «Теория развивающего обучения» (1996).