Com a amateur, Day va guanyar l’Open Australià Juvenil 2004, el Campionat Mundial Juvenil 2004 i el Màster Australià de Aficionats 2006. El 2006 es va convertir en professional i va començar a disputar alguns tornejos de l’PGA Tour. El 2007 va resultar cinquè en el Nationwide Tour, pel que va obtenir la targeta per disputar el PGA Tour 2008.
El 2009 va ser quart en el Colonial Invitational es va situar 69è en la llista de guanys. El 2010 va guanyar el Campionat Byron Nelson, va ser segon en el Campionat Deutsche Bank i desè en el Campionat de la PGA, pel que va finalitzar 21è en la llista de guanys.
L’australià va obtenir el 2011 el segon lloc al Masters d’Augusta i l’Open dels Estats Units, el tercer lloc en el Campionat Deutsche Bank i el quart en el WGC-Bridgestone Invitational. Així, es va col·locar novè a la llista de guanys de l’PGA Tour.
En la temporada 2012, el golfista va aconseguir només quatre top 10 i 8 top 25, pel que va quedar relegat a l’88è lloc en la llista de guanys. En 2013 va ser segon a l’Open dels Estats Units, tercer al Masters d’Augusta i el WGC Match Play, i quart en el Campionat BMW. Això li va permetre aconseguir la 12a posició en la llista de guanys. D’altra banda, va guanyar la Copa del Món de Golf a la branca individual i d’equips al costat d’Adam Scott.
Day va guanyar el WGC Match Play 2014, va ser segon a San Diego i el Barclays, i quart en el Tour Championship. Per tant, va acabar 16è a la llista de guanys de l’PGA Tour.
El 2015, l’australià va triomfar a l’Open de Sant Diego, va acabar tercer en el Torneig de Campions, i quart a l’Open Britànic, Pebble Beach i Nova Orleans. A l’agost guanya el seu primer torneig gran, a l’obtenir el Campionat de la PGA, amb una targeta de -20, la menor en tornejos majors de la història. En els playoffs va guanyar el Barclays i el Campionat BMW, però al Tour Championship va acabar desè. Això li va significar el segon lloc en la llista de guanys i el tercer a la Copa FedEx.
En la temporada 2016 de l’PGA Tour, Day va triomfar al Arnold Palmer International, el WGC Match Play i va guanyar el prestigiós torneig The Players ‘.