Винсент Д’Онофрио родился в Бруклине (район Бенсонхёрст) в семье дизайнера интерьеров Дженнаро Д’Онофрио и его жены Филис. Детство провёл на Гавайях, в Колорадо и в Майами. Винсент был младшим ребёнком в семье, где росли две дочери — Антуанетта и Элизабет, тоже ставшая актрисой. Впоследствии Дженнаро и Филис расстались, и будущий актёр воспитывался в семье нового мужа матери Джорджа Майера.
После окончания старшей школы Hialeah-Miami Lakes Д’Онофрио поступил в Университет Колорадо в Боулдере. В течение 18-месячного пребывания в учебном заведении он был связан с местным театральным сообществом. Актёрское мастерство изучал у Сони Мур в Нью-Йоркском американском театре Станиславского и в Актёрской студии у Шэрон Чаттон. Снимался в любительских студенческих фильмах. В 1984 году, был принят в труппу Нью-Йоркского американского театра Станиславского.
В 1987 году снялся в фильме Стэнли Кубрика «Цельнометаллическая оболочка» (1987); получил роль по протекции Роберта Де Ниро. Ради этой роли худощавому актеру пришлось поправиться на 31 килограмм.
Снимался в фильмах «Мистическая пицца» и «Умереть молодым» (в обеих картинах Винсент снимался с Джулией Робертс), «Джон Ф. Кеннеди. Выстрелы в Далласе» Оливера Стоуна, «Игрок» Роберта Олтмена, «Странные дни» Кэтрин Бигелоу, и «Весь огромный мир», где актёр не только исполнил главную роль — писателя Роберта Говарда, создателя знаменитого Конана, — но и работал как продюсер. За эту роль на Международном кинофестивале в Сиэтле Д’Онофрио был назван лучшим актёром, а фильм получил главную премию.
В фантастической ленте «Люди в чёрном» Барри Зонненфельда Д’Онофрио исполнил роли реднека Эдгара и вселившегося впоследствии в его тело инопланетянина.
В период с 2001 по 2011 год снимался в одной из главных ролей в сериале «Закон и порядок: Преступное намерение». В 2015 году Д’Онофрио сыграл роль Вика Хоскинса в фильме «Мир юрского периода». В 2015—2018 годах исполнял роль Уилсона Фиска в телесериале «Сорвиголова».
