Daniel Kehlmann wurde als Sohn des Regisseurs Michael Kehlmann geboren. Die Familie zog 1981 nach Wien, wo Kehlmann ab 1993 Philosophie und Literaturwissenschaft studierte.

Nach seinem Studium begann er eine philosophische Dissertation über den Begriff des Erhabenen bei Kant, „die ich aber ziemlich bald liegen gelassen habe.“ Dies habe unter anderem daran gelegen, „daß es mit dem Schreiben so gut lief.“

1997 debütierte Kehlmann mit dem Roman Beerholms Vorstellung. Darauf folgten "Mahlers Zeit" (1999) und die Novelle "Der fernste Ort" (2001). Seinen internationalen Durchbruch als Schriftsteller schaffte er 2003 mit seinem vierten Roman "Ich und Kaminski". Er schreibt Rezensionen und Essays für verschiedene Zeitungen, unter ihnen die Süddeutsche Zeitung, die Frankfurter Rundschau, die Frankfurter Allgemeine Zeitung, Volltext und Literaturen.

2001 war Kehlmann Gastdozent für Poetik an der Universität Mainz, im Wintersemester 2005/06 hatte er die Poetikdozentur der FH Wiesbaden, und im Wintersemester 2006/07 die Poetikdozentur der Universität Göttingen inne. Daniel Kehlmann ist Mitglied der Mainzer Akademie der Wissenschaften und der Literatur.

Daniel Kehlmann beschreibt sein erzählerisches Selbstverständnis wie folgt: „Ein Erzähler operiert mit Wirklichkeiten. Aus dem Wunsch heraus, die vorhandene nach seinen Vorstellungen zu korrigieren, erfindet er eine zweite, private ...“ - „Erzählen, das bedeutet einen Bogen spannen, wo zunächst keiner ist, den Entwicklungen Struktur und Folgerichtigkeit gerade dort verleihen, wo die Wirklichkeit nichts davon bietet.“ (aus: Wo ist Carlos Montúfar?)

Kehlmanns Literatur ist nicht autobiographisch orientiert. Er erfindet seine Protagonisten und ihre Geschichten und versetzt sich und den Leser - in einer Art Experiment - in ihre Perspektive. Seine Helden sind in der Regel auf die eine oder andere Art extreme Figuren: extrem oberflächlich und eitel wie in Ich und Kaminski oder extrem begabt und abgehoben wie in Mahlers Zeit. Als Leser kann man sich selten völlig mit ihnen identifizieren. Die Spannung entsteht nicht zuletzt aus der Frage, ob und wie diese extremen Charaktere scheitern.

Kehlmanns Helden leben in einer Realität, die uns bekannt vorkommt und stoßen gleichzeitig an die Grenzen dieser Realität: In Beerholms Vorstellung glaubt ein Bühnenmagier plötzlich, wirklich zaubern zu können, in Mahlers Zeit glaubt ein junger Wissenschaftler eine Formel gefunden zu haben, mit deren Hilfe er die Zeit aufheben kann.

In dem Roman Ich und Kaminski wittert der Protagonist, ein oberflächlicher Karrierist, im nahen Tod des gerade noch bekannten Malers Kaminski, die Chance, sich durch das Schreiben von dessen Biographie im Kunstbetrieb zu etablieren. In der Konfrontation mit dem abgeklärten Künstler erkennt er schließlich, wie wenig sein bisheriges Leben wert war.

Die Vermessung der Welt, Kehlmanns bisher ambitioniertester und auch erfolgreichster Roman (auf einer Liste der New York Times vom 15. April 2007 der international bestverkauften Bücher des Vorjahres kam der Roman auf Platz zwei), erzählt die um zahlreiche Erfindungen angereicherten Lebensgeschichten der beiden Forscher Alexander von Humboldt und Carl Friedrich Gauß - ein Roman über die Entstehung der modernen Wissenschaft, über die Deutsche Klassik. Das Buch ist größtenteils in indirekter Rede geschrieben, wodurch eine Vielzahl komischer, ja burlesker Effekte entstehen.

Seine durchaus experimentell orientierte Poetik beim Schreiben eines historischen Romans erläutert Kehlmann in dem seiner Essaysammlung titelgebend vorangestellten Text Wo ist Carlos Montúfar?

In Kehlmanns Kolumne science@fiction, die regelmäßig im Wissenschaftsmagazin heureka! der Wiener Wochenzeitung Falter erscheint, äußert sich der Schriftsteller auch zur Wikipedia: Kehlmann bezeichnet darin den Artikel über ihn als in Details fehlerhaft und als Hauptquelle vieler über ihn schreibender Journalisten. Die ebendort zu lesende Behauptung, er habe in einen Artikel zum Thema Reggaemusik schon einmal spaßhalber falsche Details eingefügt, hat er mittlerweile (am selben Ort) widerrufen.