W sezonie 2009/2010 wraz ze swoim zespołem zdobył mistrzostwo Portugalii.
31 stycznia 2011 Luiz przeszedł za nieujawnioną kwotę do Chelsea, z którą podpisał pięcioipółletni kontrakt. W ramach transferu do Benfiki latem 2011 przeszedł Nemanja Matić. W nowym zespole Brazylijczyk zadebiutował 6 lutego w przegranym 0:1 meczu z Liverpoolem, w którym zmienił w 73. minucie Jose Bosingwę. 1 marca w spotkaniu z Manchesterem United, strzelając wolejem z prawej części pola karnego w prawy, dolny róg bramki Edwina van der Sara, zdobył gola, przyczyniając się do zwycięstwa 2:1. W 2012 roku wraz z londyńskim zespołem wygrał Ligę Mistrzów – w finałowym pojedynku z Bayernem Monachium wystąpił w podstawowym składzie, a w serii rzutów karnych strzelił bramkę. W meczu Ligi Europejskiej przeciwko klubowi FC Basel strzelił gola co pomogło Chelsea awansować do finału Ligi Europy.
23 maja 2014 roku Chelsea uzgodniła warunki transferu Luiza z francuskim Paris Saint-Germain, zaś 13 czerwca oficjalnie doszło do podpisania pięcioletniego kontraktu.
31 sierpnia 2016 roku Chelsea sprowadziła Davida z powrotem za kwotę wynoszącą około 30 milionów funtów.
W sierpniu 2019 przeszedł do Arsenalu za 8 milionów funtów.