Il est né Douglas Elton Ullman à Denver, Colorado, le fils de Hezekiah Charles Ullman (né en septembre 1833) et Ella Adelaide Marsh (née en 1850). Il eut un frère, Robert Payne Ullman (13 mars 1882 - 22 février 1948), et un demi-frère, John Fairbanks (né en 1873)
Son père, qui était né dans une famille juive en Pennsylvanie, était un avocat renommé de New York. Sa mère, catholique, était née à New York. Elle avait auparavant épousé un homme du nom de John Fairbanks, qui la laissa veuve, puis un certain Wilcox, qui la maltraita. Son divorce fut alors traité par Ullman, qu'elle épousera bientôt.
Vers 1881, Charles Ullman se porta acquéreur de plusieurs intérêts miniers dans les Montagnes Rocheuses et fit déménager la famille vers Denver, où il installa son nouvel office. Puis Ullman abandonna la famille alors que Douglas avait cinq ans, laissant sa femme s'occuper de ses deux enfants.
Douglas Fairbanks commence très tôt à jouer sur scène à Denver, dans le théâtre amateur. Il joue dans des représentations estivales du Elitch Gardens Theatre, où il fait sensation dans son adolescence. Il fréquente le lycée de l'East Denver, d'où il est un jour renvoyé pour avoir déguisé les statues du campus le jour de la St. Patrick. Il quitte l'établissement la dernière année. Il dit avoir été étudiant à la Colorado School of Mines, puis à l'Université Harvard mais aucun registre ne contient son nom. Toutefois, un article à ce sujet rapporta le témoignage d'un professeur des Mines qui évoquait le renvoi du futur acteur peu après son arrivée.
Il part s'installer à New York au début du siècle pour exercer son métier d'acteur, où il rejoint la troupe de l'acteur anglais Frederick Warde qui avait découvert Fairbanks sur scène à Denver. Mais il est d'abord vendeur dans une quincaillerie et employé d'un bureau de Wall Street avant ses débuts à Broadway en 1902.
Le 11 juillet 1907 à Watch Hill Rhode Island, il épouse Anna Beth Sully, la fille d'un riche industriel, Daniel J. Sully. Ils auront un fils, Douglas Elton Fairbanks, qui deviendra lui aussi acteur à succès. La famille part pour Hollywood en 1915.
Fairbanks signe un contrat avec la Triangle Pictures en 1915 et commence à travailler sous la direction de D. W. Griffith. Dès son premier film, The Lamb, il fait la démonstration de ses grandes qualités athlétiques qui le fera remarquer par le public. Mais ses prouesses ne sont pas du goût de Griffith, et il attire plutôt l'attention de
Anita Loos et John Emerson, qui vont écrire et réaliser ses premières comédies romantiques. En 1916, il fonde sa première compagnie, la Douglas Fairbanks Film Corporation et trouve du travail à la Paramount. En 1918, Fairbanks est l'acteur le plus populaire d'Hollywood.
Il s'éprend de l'actrice
Mary Pickford qu'il rencontre dans une soirée en 1916. L'année suivante, le nouveau couple s'associe à Charlie Chaplin, un ami proche, pour parcourir le pays en train afin de vendre des coupons de soutien à l'engagement dans la Première Guerre mondiale. Pickford et Chaplin sont alors les deux stars les plus payées d'Hollywood. La réussite éclair de Fairbanks lui permettra rapidement de rejoindre le troisième rang. Mais dans le but de réduire les salaires élevés de ces trois grandes stars, les grands studios tentent de monopoliser les distributeurs et les exploitants de salles.
Le 1er décembre 1918 à la Nouvelle-Rochelle, sa femme obtient un décret de divorce ainsi que la garde de leur fils. Ils seront officiellement divorcés le 5 mars 1919.
En 1919, pour éviter le contrôle des studios et pour protéger leur indépendance, Fairbanks, Charles Chaplin, D.W. Griffith et
Mary Pickford fondent la société de distribution United Artists qui leur procure une complète liberté artistique et de plus grands profits. La compagnie devra une grande partie de son bénéfice aux succès des films de Fairbanks.
Il est déterminé à épouser Mary Pickford, mais elle est alors encore mariée à l'acteur
Owen Moore. Tous deux soucieux de la mauvaise publicité que leur apporterait leur liaison extra-conjugale, il lui soumet un ultimatum et elle obtient un divorce rapide dans la petite ville de Minden (Nevada) le 2 mars 1920. Fairbanks loue Grayhall, sa villa de
Beverly Hills qu'il aurait utilisée pendant sa cour à l'actrice.