Davis a commencé sa carrière junior en remportant les championnats de tennis des États-Unis à deux reprises. Elle est montée parmi les adultes et a rapidement atteint la première place mondiale, ce qu'elle a conservée pendant 186 semaines consécutives entre 1973 et 1976, ce qui fait d'elle l'une des joueuses de tennis féminines les plus dominantes de tous les temps.
Parmi ses nombreux succès, Davis a remporté six titres de Grand Chelem en simple (trois aux US Open et trois à Wimbledon) et a également été finaliste huit autres fois à ce niveau. Elle a gagné dix-huit tournois de la WTA au total.
Davis est également connue pour sa rivalité avec l'ancienne joueuse de tennis australienne Evonne Goolagong Cawley, qui a dominé les années 1970 à part Davis. En 1976, Davis a remporté la finale de Wimbledon contre Goolagong en trois sets (6-4, 6-4, 5-7, 6-2), ce qui a été considéré comme l'un des meilleurs matchs de l'histoire.
En 1980, Davis a fait un retour remarquable après une absence forcée de plusieurs années en raison d'une blessure à la cheville. Elle a remporté le tournoi de Wimbledon en battant Martina Navrátilová en finale (6-4, 6-1). Cette victoire a marqué la fin de l'ère Davis dans le tennis féminin, car elle ne s'est jamais révélée à nouveau au plus haut niveau.
Davis a également été une pionnière pour les droits des femmes et des joueuses de tennis. Elle a défié la convention en portant des maillots courts, ce qui a provoqué un scandale dans le monde du tennis. Davis est également connue pour son engagement politique et sa participation à diverses causes sociales.
En 2000, Davis a été intronisée au International Tennis Hall of Fame en raison de ses nombreux succès sur les courts de tennis et de son impact sur le jeu du tennis féminin.