Trevatan fu scelto nel corso del sesto giro del Draft 2012 dai Broncos[1]. Debuttò nella settimana 1 contro i Pittsburgh Steelers senza far registrare alcuna statistica[2]. Nella settimana 9 contro i Cincinnati Bengals mise a segno il suo primo sack su Andy Dalton[3]. La sua prima stagione si concluse giocando tutte le 16 partite, nessuna delle quali come titolare, con 33 tackle, 1 sack e 3 passaggi deviati.
Nella prima gara della stagione 2013, Trevathan mise a segno il suo primo intercetto in carriera su Joe Flacco dei Baltimore Ravens[4]. La settimana successiva guidò i Broncos con 10 tackle e un sack nella vittoria sui New York Giants[5]. Nella settimana 5 mise a segno un intercetto fondamentale nel quarto periodo su Tony Romo che consentì ai Broncos di rimanere imbattuti[6]. La domenica successiva ne mise a segno un altro contro i Jacksonville Jaguars[7].
Il 19 gennaio 2014, nella finale della AFC, i Broncos batterono i Patriots qualificandosi per il Super Bowl, la prima presenza della franchigia dal 1998, in una gara in cui Trevathan guidò i suoi con 8 tackle[8][9]. Nel Super Bowl XLVIII contro i Seattle Seahawks, i Broncos furono battuti nettamente per 43-8[10][11]. Danny fu il giocatore che mise a segno più tackle nella partita, 12.
Nella settimana 13 della stagione 2015, Trevathan mise a segno un intercetto su Philip Rivers, ritornandolo per 25 yard in touchdown[12]. A fine anno partì come titolare nel Super Bowl 50, vinto contro i Carolina Panthers, in cui guidò i Broncos con otto placcaggi[13].
Nel secondo turno della stagione 2018 Trevathan fu premiato come miglior difensore della NFC della settimana dopo avere messo a segno 6 placcaggi e 2 sack su Russell Wilson nella vittoria del Monday Night Football contro i Seattle Seahawks.[16]
Il 16 marzo 2020, Trevathan firmò con i Bears un rinnovo triennale del valore massimo di 24 milioni di dollari.[17]