Окончил Суортмор-колледж в штате Пенсильвания (1960), изучал молекулярную биологию и вирусологию в Массачусетском технологическом институте (1960-1961) и Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке (в 1964 году - степень доктора философии (PhD)), а затем совершенствовался в области биохимии снова в Массачусетском технологическом институте (1964-1965). В 1965-1968 годах Балтимор - научный сотрудник Института биологических исследований им. Дж. Солка в Сан-Диего, штат Калифорния, с 1968 года - профессор Массачусетского технологического института. В 1997-2006 годах - президент Калифорнийского технологического института, в настояще время работает там же, в качестве Милликановского профессора биологии.
Балтимору принадлежит одно из крупнейших достижений в молекулярной биологии и генетике XX в.: он экспериментально доказал, что носителем генетической информации может быть не только молекула ДНК (дезоксирибоноклуиновой кислоты), что до него не подвергалось сомнению, но и молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты), которой до этого приписывалась лишь функция переноса генетической информации от ДНК к белку. Начав в середине 1960-х гг. исследования РНК-содержащих вирусов полиомиелита (ряд лабораторных экспериментов он проводил вместе с женой Элис, микробиологом), Балтимор затем обратился к опухолеродным вирусам, многие из которых также содержали РНК, но не содержали ДНК. В серии экспериментов конца 1960-х - начала 1970-х гг. Балтимор установил, что способность РНК-содержащих вирусов поражать клетки тканей человека и животных - это следствие так называемой обратной транскрипции, то есть возможности передачи генетической информации не от ДНК к РНК, затем к белку (транскрипция), а, наоборот, от молекулы РНК к ферменту ДНК - полимеразе (ревертазе) и уже от него к клетке, которая в результате перерождается в опухолевую. Открытие (одновременно с Хоуардом Темином и независимо от него) обратной транскрипции позволило Балтимору раскрыть механизм возникновения многих форм злокачественных опухолей и лейкозов. После 1973 года Балтимор открыл и описал восемь ранее неизвестных онкогенных вирусов, относящихся к так называемым ретровирусам (к последним принадлежат также возбудители гепатита и СПИДа). В то же время Балтимор на базе этого открытия разработал методы искусственного синтеза генов, определяющих структуру белка в молекулах гемоглобина человека, заложив, таким образом, основы генной инженерии.
За эти открытия в 1975 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине (совместно с Темином и Р. Дульбекко). Балтимор - член Национальной АН США, Американской академии искусств и наук, Лондонского Королевского общества, а также многих других научных обществ и организаций, почётный доктор ряда американских и зарубежных университетов (с 1979 года член учёного совета Научно-исследовательского института имени Х. Вейцмана). Балтимор - председатель Комитета по исследованию СПИДа Национального института здоровья США (с 1986 года), а также консультант по вопросам медицины ряда правительственных учреждений.
Кроме того, в 1986 году Балтимор совместно с Сином (Sen) открыли один из наиболее ключевых транскрипционных факторов - NF-kB. Этот фактор до сих пор активно изучается, и уже показано, что он вовлечён в реализацию почти всех ключевых процессов в клетках эукариот.
Балтимор принадлежит к тем учёным, которые видят опасность злоупотребления достижениями генной инженерии и выступают за мораторий на некоторые направления исследований в этой области.