Premiärministern sade att om man lämnar facket skulle priserna stiga och sysselsättningen hotas i ett drag som ses som ett försök att nå ut till väljarna i Labour.
Skriva i Daily Mirror, sade han att lämna skulle vara "ett nationellt fel".
Under tiden har mer än 300 företag och entreprenörer undertecknat ett brev till stöd för Brexit.
Folkomröstningen äger rum den 23 juni, då väljarna i Storbritannien kommer att få frågan om de vill att landet ska stanna kvar i eller lämna Europeiska unionen.
Med mindre än sex veckor kvar till valdagen fortsatte Cameron att argumentera för att han skulle stanna kvar i EU.
Han sade att vara i facket hjälpte arbetande människor och brittisk tillverkning.
"Jag har jobbat här i sex år nu. Vad du än tycker om mig, så vet jag hur Storbritannien får saker gjorda i världen", skrev han i The Labour supporting Daily Mirror.
"Jag har sett hur frihandeln inom Europa gynnar de arbetande. Jag har sett hur tillverkning främjas av handelsavtal som EU har gjort med resten av världen.
"Jag har sett hur delad intelligens håller familjer säkra. Det är min djupa, genomtänkta, orubbliga övertygelse att det skulle vara ett nationellt misstag att lämna Europa, ett stort misstag."
Han sade att tre miljoner människors levebröd var direkt kopplade till handeln med Europa, med "oräkneliga fler" indirekt kopplade till varandra.
Camerons kommentarer kommer som 320 affärssiffror har undertecknat ett brev som stöder röstavgång.
I brevet, som publicerades i Daily Telegraph, sades det att en medlem av EU undergräver den brittiska konkurrenskraften och Brexit skulle "skapa fler arbetstillfällen".
Bland signatärerna finns Peter Goldstein, grundare av Superdrug, Steve Dowdle, tidigare vice ordförande i Sony, och David Sismey, verkställande direktör för Goldman Sachs.
Tim Martin, ordförande i pubkedjan JD Wetherspoon, Adrian McAlpine, från byggfirman Sir Robert McAlpine, och Jon Moulton, ordförande för Better Capital LLP, undertecknade också brevet.
De säger att brittiska företag skulle kunna "växa snabbare, expandera till nya marknader och skapa fler arbetstillfällen" från länder utanför EU.
"EU köper mindre från Storbritannien på årsbasis eftersom dess ekonomier är stagnerande och miljontals arbetstagare är arbetslösa", sades det i brevet.
Den tillägger: "Bryssels byråkrati kväver var och en av Storbritanniens 5,4 miljoner företag, även om endast en liten minoritet faktiskt bedriver handel med EU."
Både Leave och Remain-kampanjerna har tidigare publicerat brev som avslöjar stöd för andra affärspersoner.
Det följer på en dispyt under helgen, efter att Boris Johnson jämfört EU:s mål med Hitlers, säger båda inblandade avsikten att ena Europa under en enda "myndighet".
Parlamentsledamöterna för Brexit Tory och f.d. borgmästare i London sade att både nazistledaren och Napoleon hade misslyckats med enandet och att EU var "ett försök att göra detta med olika metoder".
Shadow utländska sekreterare Hilary Benn, som backar Remain, sade jämförelsen var "offensiv och desperat".
"Lämna kampanjer har förlorat den ekonomiska argument och nu de förlorar sin moraliska kompass," Labour MP sade.
F.d. arbetsmarknadsminister Yvette Cooper, som också stöder Remain-kampanjen, anklagade John Johnson för en "skum brist på omdöme" och en villighet att spela "den mest splittrande, cyniska politiken".
Lord Bramall, en före detta arméchef, sade att jämförelsen mellan EU och Nazityskland var "absurd".
Tory Leave-kampanjen Jacob Rees-Mogg sade emellertid att Johnsons kommentarer var "absolut sanna".
Han sa att Hitler och Napoleon ville skapa en enda europeisk makt... med våld. Och EU försöker göra det genom att smyga."
De fattigaste och mest utsatta människorna i Storbritannien skulle drabbas hårdast av de ekonomiska konsekvenserna av att lämna EU, har David Cameron varnat.