Винсент Д’Онофрио родился в Бруклине (район Бенсонхёрст) в семье дизайнера интерьеров Дженнаро Д’Онофрио и его жены Филис. Рос на Гавайях, в Колорадо и Майами. Винсент был младшим ребёнком в семье (кроме него у пары было две дочери — Антуанетта и Элизабет, тоже ставшая актрисой). Впоследствии Дженнаро и Филис расстались, и будущий актёр воспитывался в семье нового мужа матери Джорджа Мейера.
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.
До 1984 года, когда актёр был принят в труппу Нью-Йоркского американского театра Станиславского, ему пришлось несколько лет браться за любую возможность заработать: от съёмок в любительских студенческих фильмах до работы вышибалой в ночных клубах.
В театре Д’Онофрио быстро выдвинулся в ряд ведущих актёров Бродвея.
Дебютом Винсента в кино можно считать его роль в фильме Кубрика «Цельнометаллическая оболочка» (1987), куда он попал благодаря протекции Роберта Де Ниро. Ради этой роли худощавому актеру пришлось поправиться на 31 килограмм.
Потом были «Мистическая пицца» и «Умереть молодым» (в обеих картинах Винсент снимался с Джулией Робертс), «Джон Ф. Кеннеди. Выстрелы в Далласе» Оливера Стоуна и «Игрок» Роберта Олтмена, «Странные дни» Кэтрин Бигелоу.
Стоит отметить фильм «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 сериале «Закон и порядок — Преступные намерения», где сыграл одну из главных ролей.
