巴尔的摩的父亲是理查德·巴尔的摩（Richard Baltimore），母亲是格特鲁德·利普希茨（Gertrude Lipschitz）。高中时代，巴尔的摩参加了在缅因州巴尔港的杰克森纪念实验室（Jackson Memorial Laboratory）为具有科学天赋的学生举办的暑期项目，那时他就决心要成为一名分子生物学家。在那里 巴尔的摩获得了和生物学家们交流的机会，并有机会独立进行几个实验。他还在那儿遇见了他后来的同事霍华德·马丁·特明（Howard Martin Temin）。据巴尔的摩所说，特明那时刚从大学毕业，是他们小组的“权威”。

1956年，巴尔的摩进入宾夕法尼亚（Pennsylvania）的斯莫斯摩尔学院学习并在四年后以优秀成绩获得学士学位。随后，他又在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，简称MIT)开始研究生的学习，但后来又转入纽约的洛克菲勒学院（Rockefeller Institute），即如今的洛克菲勒大学，并在那儿和专攻动物病毒的分子物理学家理查德·富兰克林（Richard Franklin）共事。那时，巴尔的摩的研究重点已转为研究核糖核酸病毒，尤其是脊髓灰质炎病毒是如何在细胞内繁殖的。

1964年获得博士学位之后，巴尔的摩作为博士后在麻省理工学院继续他的研究，随后又就读于纽约市的阿尔伯特·爱因斯坦医学院。1965年，他接受了位于加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究学院（Salk Institute for Biological Studies）的一个研究助理职位，并和开发了用于研究动物病毒实验室新技术的病毒学家雷纳托·杜尔贝科（Renato Dulbecco）共事。1968年，巴尔的摩回到麻省理工学院，被任命为微生物学副教授。

巴尔的摩最初选择研究骨髓灰质炎病毒，当时他认为所有的核糖核酸病毒的复制系统都是一样的。然而，科学家们却在20世纪60年代证实骨髓灰质炎病毒并不代表所有病毒，事实上还存在着其它的复制系统。巴尔的摩开始根据病毒的复制方式将它们分类，在这一过程中的发现使他后来获得诺贝尔生理学-医学奖。几乎与此同时，另一位科学家特明也通过自己独立的实验得到了和巴尔的摩同样的发现。两位科学家接连报告了他们的发现，并在英国期刊《自然》（Nature）的1970年六月刊上发表论文。

1964年，还是麦迪逊市威斯康星大学副教授的特明称核糖核酸病毒可以在其寄主细胞的脱氧核糖核酸内进行自我复制。而传统思想认为,遗传信息是先由脱氧核糖核酸到核糖核酸最后到蛋白质这样单向传递的。特明的假说却与此相悖，因而遭到科学家们的批评。特明和巴尔的摩于是开始研究本身并不含有脱氧核糖核酸的核糖核酸是如何把它的遗传信息传递给其宿主细胞的。两位科学家都找到了一种生化酶，这种酶可以使单链的核糖核酸病毒自我复制，并因此使其可以和宿主细胞中的双链的脱氧核糖核酸相容。

由于这种酶可以使遗传信息由核糖核酸传递给脱氧核糖核酸，因此被称为逆转录酶（reverse transcriptase）。因为这一发现，巴尔的摩和特明与另一位科学家杜尔贝科共同获得1975年的诺贝尔生理学-医学奖。

巴尔的摩妻子为华裔病毒学家、加州理工学院生物学教授黄诗厚（Alice Huang）女士。黄诗厚女士祖籍安徽，生于贵阳。现为美国科学促进会（AAAS）主席。