Después participa en el cine, su debut junto con Antonio del Real en Y decirte alguna estupidez, por ejemplo, te quiero en el papel de Salva. En el cine le siguen títulos como Besos de gato o Café solo o con ellas, esta última muy taquillera, en el papel de Philip.

Desde 2005 y hasta su despedida el 29 de junio de 2014 forma parte del elenco protagonista de Hoy no me puedo levantar en el papel de Guillermo, por el que recibe el premio a mejor actor revelación y el favor de la crítica, que dice hace una "magistral interpretación" de un gay ochentero cargada de cambios de registros, desde el 2009 también interpreta el personaje de Panchi.

Compagina su trabajo en el teatro sin descuidar la televisión y el doblaje. En televisión, se le ha visto en series como Matrimonio con hijos, Escenas de matrimonio o A ver si llego (2009). En esta última con un personaje fijo Ignacio, estudiante de periodismo con las "hormonas esquizofrénicas" según dijo el mismo. En el doblaje, su trabajo más destacable es poner voz a Ron Weasley, el amigo pelirrojo de Harry Potter desde Harry Potter y el prisionero de Azkaban en adelante. También ha sido voz del niño de The Full Monty, El hijo del presidente, El rey Arturo o El señor Ibrahim y las flores del Corán, entre muchos títulos más.

El 4 de mayo de 2017 se anuncia su participación como concursante en el nuevo programa Me lo dices o me lo cantas de Telecinco. En su primera actuación interpretó a Kiko Rivera, quien demandó a él y al programa por hacer alusión a los problemas judiciales de su madre. David Carrillo respondió que solamente era una parodia y que debería tomárselo con más humor.

Es un dramaturgo, ensayista y profesor de cine español. Se doctoró en Estudios Cinematográficos en Londres, en el Queen Mary de la Universidad de Londres. En 2009 comenzó su labor docente en la Universidad Carlos III. Sus estudios académicos se han especializado en las relaciones entre el cine y la homosexualidad.