直不疑是南阳人，当郎官侍奉文帝。
他的室友有人告假回乡，错拿了同屋另一郎官的金子走了。
不久同屋郎官发觉丢了金子，便猜疑是直不疑偷了，直不疑向他承认并道歉，买了金子赔偿。
后来，告假之人回来归还了金子，使失金郎官大为惭愧，而直不疑也因此被称为忠厚长者。
他逐渐升为中大夫。
有次朝见时，有人诋毁他说：“直不疑外表俊美，奈何他却喜欢私通嫂嫂！”直不疑听了只说“：我原本没有兄长。”然后就不再表明清白。
吴楚七国反叛时，直不疑以二千石的职位率军讨伐。
景帝后元元年(前143)，任御史大夫。
天子奖赏平叛功臣，封直不疑为塞侯。
武帝即位后，他和卫绾都以过失被免职。
直不疑研习老子的学说，每任职，总是与前任官做法相同，唯恐人们知道他在任时的政绩。
也不喜欢扬名，被人们称为长者。
死后谥号信侯。
爵位传儿子，到孙子彭祖手里，因酎金之事，封地被撤除。