Svou hereckou kariéru Vincent D'Onofrio zahájil koncem 80. let 20. století a od té doby se objevil v bezmála stovce filmů a televizních projektů.
Popularitu si Vincent D'Onofrio získal díky postavě detektiva Roberta Gorena v seriálu Zákon a pořádek: Zločinné úmysly. Objevil se i v dalších seriálech. Jmenujme např. Godfather of Harlem, Daredevil či Daredevil: Born Again.
Mezi nejznámější role Vincenta D'Onofria patří Leonard Lawrenc ve filmu Olověná vesta, Orson Wells ve snímku Ed Wood nebo Vico Hoskins v Jurském světě.
Za ztvárnění postavy barbarského farmáře Edgara, jehož zabije pilot mimozemského talíře a oblékne si jeho kůži, ve sci-fi komedii Muži v černém, Vincent D'Onofrio dostal v roce 1998 The Saturn Awards. Nominován byl i na řadu dalších cen, včetně ceny Primetime Emmy za roli v seriálu Homicide: Život na ulici.
Kromě herectví se Vincent D'Onofrio věnuje také produkci a režii. Natočil mj. několik epizod seriálu Zákon a pořádek: Zločinné úmysly.
Podporuje charitativní organizaci Innocence Project, která se snaží očistit neprávem odsouzené osoby pomocí testů DNA. Vincent D'Onofrio se angažuje též v kauzách, které se týkají zejména ekologie a kontroly zbraní.
Vincent D'Onofrio se ženil dvakrát a má tři děti.