В 2005 году игрок перешёл в «Валенсию». Сразу же в первом сезоне за «Валенсию» Вилья забил 25 мячей (проведя 37 игр) в Примере и стал вторым (после Самуэля Это’О) лучшим бомбардиром чемпионата. За всю историю «Валенсии» только двое футболистов забивали за одно первенство больше голов. Результат Давида Вильи стал третьим показателем за всё время. В последующие сезоны Давид вновь становился лучшим бомбардиром «Валенсии», и вплоть до сезона 2007/08 был лучшим испанским бомбардиром в Примере.

Давид Вилья в матче за Валенсию

В сезоне 2008/09 Вилья забил 28 голов, что стало вторым повторением рекорда результативности «Валенсии», установленногоЭдмундо «Мундо» в 1943/44, и в первый раз повторенного Марио Кемпесом в 1977/78. Однако если 28 голов, забитых за один сезон, позволили этим двум нападающим стать обладателями трофея Пичичи, то Вилья уступил приз лучшего бомбардира чемпионата Диего Форлану (32 гола).