2012-13赛季不受新教练重用，但2012-13赛季依然射入16球成为俱乐部第三射手。
2013年3月13日，在欧冠8分之一对阵AC米兰的第二回合比赛中，首回合0：2输球的巴塞罗那由梅西两球扳平比分后，比利亚在下半场第55分钟接应哈维传球，外脚背搓射打入反超一球，随后阿尔巴再入一球，巴塞罗那4：2大逆转，这也成为了他在巴塞罗那最后的高光时刻。 2013年7月8日，巴塞罗那官方宣布比利亚以510万欧元的超低价转会西甲劲旅马德里竞技，税后年薪510万欧元。 比利亚将身穿拉达梅尔·法尔考留下的9号球衣，添补法尔考留下的空缺，与迭戈·科斯塔组成床单军团2013-14赛季的锋线组合。8月22日西班牙超级杯。比利亚在卡尔德隆的首战迎战老东家巴塞罗那。第12分钟，阿尔达·图兰进行快速反击，在左路传中，后插而上的比利亚凌空抽射打入他在马德里竞技的首个进球。
2013-14赛季，比利亚在马德里竞技一赛季总共打入13球。而马德里竞技也相继问鼎西甲冠军和欧冠亚军。而比利亚也用自己的实力成功入选了西班牙队征战2014年巴西世界杯的阵容。
在马德里竞技度过了一个赛季后，2014年6月1日，33岁的比利亚与床单军团解除合同。随后，他加盟了美国职业大联盟新军纽约FC。 这支刚刚在5月25日由曼城老板曼苏尔酋长和纽约扬基俱乐部合作成立的俱乐部，而比利亚也将重新披上熟悉的7号战袍，成为纽约FC史上的第一位球员。6月5日，澳超球队墨尔本城足球俱乐部宣布，西班牙前锋大卫·比利亚将短期代表本队参加2014年10月至12月的澳超联赛。因为美国大联盟的赛季是从3月-9月，在此期间比利亚为保持状态将加盟澳超球队墨尔本城---另一家曼苏尔酋长旗下的球队。他将在10月-12月期间短暂效力这家俱乐部，随后回到纽约备战新赛季的大联盟。
2018年12月1日，J联赛神户胜利船俱乐部官方宣布，37岁的西班牙前锋比利亚正式加盟。神户胜利船俱乐部官网表示，继波多尔斯基、伊涅斯塔之后，比利亚也加入球队，他们将为实现“亚洲第一俱乐部”而继续前进。
比利亚，曾帮助西班牙获得过2008年欧洲杯以及2010年世界杯的冠军。俱乐部生涯中，他曾效力于瓦伦西亚、巴塞罗那、马德里竞技等多支欧洲球队。2014年他转战美国加盟纽约FC，四个赛季共为球队出场126次，打进80球助攻19次。
2019年11月13日，比利亚召开发布会，宣布自己将在赛季结束后正式退役。
国家队生涯
进入国家队后，比利亚加强了西班牙国家队的锋线实力。
2005年2月9日，世界杯预选赛，24岁的比利亚才第一次代表西班牙国家队出场比赛， 当时西班牙队5：0大胜圣马力诺队。随后他又参加了3场世界杯预选赛。
2005年11月，他在与斯洛伐克的比赛中打进了国家队的处子球，帮助西班牙队1：1战平对手。
2006年世界杯，比利亚的在他的第一场世界杯比赛就梅开二度，西班牙4：0轻取乌克兰队。 比利亚与托雷斯、华金（或加西亚）组成的前场组合在以主力出场的前两场比赛打入7球，可惜16强遭遇法国队，遗憾的再一次被淘汰出局。比利亚的第一次世界杯之旅获得3个进球，只是可惜球队没能走到最后。
2008年6月10日，在奥地利因斯布鲁克举行的2008年欧锦赛D组首场比赛中，大卫·比利亚上演帽子戏法，帮助西班牙队以4：1战胜俄罗斯队，同时也成为欧锦赛决赛阶段历史上第一个完成帽子戏法的西班牙球员，但在俄罗斯队的半决赛中主罚任意球受伤，提前告别本届杯赛。 6月30日2时45分（奥地利当地时间29日20时45分），第13届欧洲杯决赛在维也纳恩斯特·哈佩尔球场打响，西班牙因托雷斯的进球1：0力克德国，时隔44年后再度问鼎欧洲杯，也成为1984年法国队之后首支小组赛全胜的冠军球队。因伤缺席决赛的比利亚以4球成为1988年巴斯滕之后首位夺得最佳射手的冠军队员，并入选了欧洲杯官方最佳阵容。且被国际足联授予“金靴奖”。
2008年11月21日，比利亚在对智利队的比赛中罚入点球，2008年度在国家队的进球上升到12个，这也使他成为西班牙国家队历史上单个年度进球最多的球员。整个2008年，比利亚代表西班牙参加了13场比赛，其中包括5场友谊赛和8场正式比赛，在这13场比赛里他总共踢进12个球，几乎每场比赛进球一个。在三月份同意大利队和秘鲁的友谊赛上，比利亚两场比赛都有进球。在夏天的欧洲杯上，比利亚凭借对俄罗斯队时完成的帽子戏法以及对瑞典队中的进球，成为当届比赛的最佳射手。之后，他在又对波黑队、亚美尼亚和比利时队的世界杯预选赛中打进5球，并在同智利队的比赛中罚进点球，以2008年全年12个进球结束了在国家队的2008年赛季。
比利亚在国家队2008年全年打进12个球，这一成绩也使他成为西班牙国家队历史上在一年里进球最多的前锋。此前这个纪录的保持者是劳尔，他曾经在1999年里踢进了10个球，排在他之后的是布特拉格诺（1996年/8个）、萨利纳斯（1994年/8个）、托雷斯（2005年/8个）、库巴拉（1957年/8个）。
在国家队主教练博斯克看来，比利亚是全世界最好的得分手，博斯克说：“我们拥有的比利亚比巴西的卡卡和葡萄牙的C罗更优秀！”到2009年12月为止，比利亚共为西班牙队出场54次打进36球，在西班牙国家队历史总射手榜上排名第二，仅次于打进44球的劳尔，劳尔用了101场比赛完成了44个进球，而比利亚的进球率显然要比劳尔高得多。
2010年比利亚代表国家队出征南非世界杯，七场比赛共进五球。
2010年6月16日，第19届世界杯H组第一轮比赛在德班球场展开争夺，夺冠热门西班牙0：1爆冷不敌瑞士，瑞士历史上首胜西班牙。比利亚首发上场，在首场比赛中没有获得太多的机会，但也错失了一个明显的破门机会；在落后的时候，席尔瓦曾经给比利亚传出过一粒好球，但球速有些慢。6月22日，第19届世界杯H组第二轮一场比赛在约翰内斯堡的埃利斯公园球场展开争夺，西班牙2：0胜洪都拉斯，比利亚打中横梁，随后梅开二度，但他错失点球良机险些上演帽子戏法。 6月26日，第19届世界杯H组末轮一场比赛在比勒陀利亚的洛夫托斯球场展开争夺，西班牙2：1取胜智利。比利亚先拔头筹并助攻伊涅斯塔扩大比分，埃斯特拉达累计两张黄牌被罚下，米拉尔为智利扳回一城。随着比利亚在本场比赛的进球，也改写了西班牙国家队的进球记录同时也成为了西班牙队的头号得分王，他在左路发挥的很出色，并且助攻伊涅斯塔完成第二个进球，他是西班牙发挥最稳定的球员之一。
2010年6月30日，第19届世界杯一场1/8决赛在开普敦的绿点球场展开争夺，西班牙1：0力克葡萄牙，比利亚绝杀建功，打进了比赛的唯一进球，再一次成为比赛的最佳球员，里卡多·科斯塔终场前被罚下，西班牙晋级八强。
2010年7月4日，世界杯1/4决赛在约翰内斯堡埃利斯公园球场开始第4场较量，西班牙1：0淘汰巴拉圭，半决赛将遭遇德国。上半时，巴尔德斯进球被判无效。下半场，双方在4分钟内3次主罚点球，首先卡多索点球被卡西利亚斯扑出，随后阿隆索射进点球却被判重罚，结果被比利亚尔扑出。此后比利亚打破僵局，以5球追平布特拉格诺1986年创造的西班牙球员单届进球纪录，距劳尔44球的西班牙国脚进球纪录也只差1球。
2010年7月8日，世界杯半决赛第2场在德班球场展开角逐，西班牙1：0力克德国，成为历史上第12支打进决赛的球队，也是1982年的西德之后首支杀进世界杯决赛的卫冕欧洲冠军。队长普约尔下半时攻入唯一进球。
2010年7月12日，2010年世界杯决赛在约翰内斯堡举行。加时赛下半场开始前，随着比利亚被托雷斯换下，比利亚以5球登上世界杯射手榜第一的宝座。比利亚在两届世界杯中共进8球。
2011年3月26日清晨，在欧预赛第4轮小组赛里，比利亚2个进球，直接将西班牙国家队进球纪录44球的纪录提升至46球。
场外生活
他和妻子帕特里西亚是青梅竹马，他们的相遇还要追溯到高中时期，当时妻子也是一名足球运动员，正是相同的爱好，两人最终走到了一起。 成名后的比利亚也非常低调，他不喜欢把自己足球以外的生活也暴露在聚光灯下。2003年，比利亚与和自己青梅竹马的女友帕特里希娅完婚。2005年12月，他们的女儿贾伊达降生，比利亚把爱女的名字印在了自己的球鞋上；2009年8月，他们的第二个孩子到来，这一次依然是一个女儿，比利亚的两只球鞋上从此印上了两个不同的名字。2013年1月，他们的第三个孩子到来，这次是一个儿子，取名为卢卡。
比利亚曾为著名足球游戏FIFA2007担任过形象代言人。
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