Пачаў кар’еру ў клубе«Віторыя». Ва ўзросце 16 гадоў дэбютаваў у аснове каманды і хутка стаў іграком асноўнага складу клуба. У 2006 годзе Давід Луіс дапамог «Віторыі» выйсці ўСерыю А, чым прыцягнуў увагу некалькіх клубаў у краіне і за мяжой.
31 студзеня 2007 года Давід Луіс, на правах арэнды, перайшоў у партугальскі клуб«Бенфіка», які шукаў заменуРыкарду Рошы, які сышоў у«Тотэнхэм Хотспур»[4]. Давід дэбютаваў у складзе каманды ў матчы 1/16Кубка УЕФА супраць французскага«Пары Сен-Жэрмен», замяніўшы траўмаванагаЛуізана. «Бенфіка» трывала паражэнне ў матчы з лікам 1:2, але выйшла ў наступны раўнд, перамогшы з агульным лікам 4:3. Па заканчэнні сезона Давід Луіс падпісаў 5-гадовы кантракт з «Бенфікай». Партугальская клуб выплаціў «Віторыі» 500 тысяч еўра за абаронцу. Аднак у новым сезоне Луіс правёў толькі 13 гульняў, часцяком прайграючы канкурэнцыю партнёрам па камандзе.
1 лютага 2011 года Давід Луіс стаў іграком«Чэлсі», падпісаўшы кантракт на 5 гадоў[5]. 6 лютага 2011 года Луіс дэбютаваў за лонданскі «Чэлсі», выйшаўшы на замену на 73-й хвіліне ў матчы супраць«Ліверпула».
23 мая 2014 года, «Чэлсі» і французскі клуб«Пары Сен-Жэрмен» абвясцілі аб пагадненні на нераход Луіса ў парыжскі клуб. Дамова былаканчаткова зацверджана 10 чэрвеня, калі адчынілася трансфернае акно. Як паведамляецца, сума ўгоды склала да 40 мільёнаў фунтаў, што з’яўляецца рэкордным паказчыкам для абаронцы[6].
Улетку 2016 года новы галоўны трэнер парыжанУнаі Эмеры павідаміў Давіду Луісу, што той не будзе мець месца ў аснове каманды ў новым сезоне.31 жніўня 2016 года Давід Луіс вярнуўся ў «Чэлсі» за 34 млн фунтаў[7].
У жнўні 2019 года перайшоў у лонданскі«Арсенал»[8]. Пакінуў клуб па заканчэнні кантракта ў чэрвені 2021 года.
У верасні 2021 года вярнуўся ў Бразілію, далучыўшыся да«Фламенгу»[9].
