Premiärministern sa att Labour hade en "nacke" för att hävda att de var på den vanliga arbetande familjens sida.
Enligt de konservativa planerna på 350 miljoner pund skulle antalet statligt subventionerad barnomsorg för tre- och fyraåringar fördubblas till 30 timmar i veckan.
Labour sade att det var "ett annat ofinansierat tillkännagivande", som anklagade de konservativa för "desperation".
Liberaldemokraterna sade planerna "okunniga arbetande familjer med de yngsta barnen".
BBC:s politiska korrespondent Carole Walker sa att Cameron försökte byta fokus för kampanjen till en av sitt partis viktigaste tillkännagivande efter flera dagar domineras av varningar om SNP och en framtida Labour regering.
Hon tillade att partiet sannolikt kommer att ställas inför frågor om hur det skulle säkerställa att det finns tillräckligt med barnomsorgsplatser.
För närvarande har alla tre- och fyraåringar i England rätt till 570 timmars kostnadsfri småbarnsutbildning eller barnomsorg per år, vilket fungerar som 15 timmar varje vecka under 38 veckor om året.
De konservativa sade 30-timmars erbjudande från 2017, meddelade för en vecka sedan, skulle resultera i mer än 600 000 extra 15-timmars gratis barnomsorg platser varje år.
De sade att förslaget skulle finansieras genom en minskning av skattelättnaden för pensionsavgifter.
Labour har lovat 25 timmars gratis barnomsorg i veckan och liberaldemokraterna 20 timmar, även om båda parter också planerar att utvidga erbjudandet till yngre barn.
Cameron sade att hans regering ärvde en "sockande" situation, "där par spenderade lika mycket på barnomsorg som en av dem tog hem i inkomster".
Han tillade att "för många andra inkomsttagare, arbete inte lönade eftersom kostnaden för barnomsorg var så hög".
En konservativ regering skulle utvidga de förändringar som gjorts i det förra parlamentet, sade David Cameron.
"Om du är en arbetande förälder med ett barn du kan vara säker på att när de är tre de kommer att kunna gå till barnkammaren för 30 timmar i veckan helt gratis," Mr Cameron sade.
"Och vi har också lagstiftat om skattefri barnomsorg för allt utanför detta - så om du spenderar tio tusen pund på barnomsorg får du två tusen pund tillbaka för varje barn."
Men Labours skuggutbildningssekreterare Tristram Hunt sade: "Hard-working familjer kommer inte att luras av $ 600m skillnaden i finansiering för denna politik, som meddelades förra veckan."
Han sade att Labour hade en "bättre plan" inklusive en "garanti för tillgång" till barnomsorg mellan 08:00 och 18:00 för barn i primäråldern.
Och den liberaldemokratiska jämlikhetsministern Jo Swinson sade: "Tory planer för barnomsorg ignorera arbetande familjer med de yngsta barnen, som kan lämna vissa föräldrar utestängda från arbetsmarknaden i flera år i sträck."
Hon sade att hennes parti skulle utöka utbildningen till att omfatta alla tvååringar och se till att det fanns gratis barnomsorg så snart den betalda föräldraledigheten upphörde för förvärvsarbetande mammor och pappor.
"Detta kommer att hjälpa till med kostnaderna för barnomsorg och se till att förvärvsarbetande föräldrar har ett verkligt val om när de ska återgå till arbetet", tillade hon.
UK Independence Party säger att det kommer att fortsätta att finansiera den nuvarande kostnadsfria barnomsorgen på 15 timmar i veckan och det kommande skattefria barnomsorgssystemet - även om de skulle avreglera barnomsorgen "för att ta itu med bristen på platser och minska kostnaderna för både föräldrar och staten".
* Prenumerera på BBC Val 2015 nyhetsbrev för att få en runda upp av dagens kampanj nyheter skickas till din inkorg varje vardag eftermiddag.
David Cameron säger att han kommer att skapa 600.000 extra gratis barnomsorg platser om han återförs till makten nästa månad.