Under en rundtur på en lamm- och nötköttsgård i norra Wales sade premiärministern att jordbrukarna kunde förlora så mycket som 330 miljoner pund enbart på lamm- och nötköttsexport om Storbritannien skulle dra sig tillbaka från EU.
Han sade att fördelarna med den inre marknaden uppväger frustrationer med byråkrati.
Men jordbruksministern och leavesupportern George Eustice sade att Förenade kungariket kunde stödja jordbrukarna bättre än EU.
"Om vi röstar för att lämna EU och ta kontroll, kommer vi att kunna utforma en jordbrukspolitik som ger resultat för brittiska jordbrukare", sade herr Eustice, en tidigare politisk allierad till Cameron.
"Vi skulle ersätta vårt medlemskap med ett nytt partnerskap mellan Storbritannien och EU, vilket skulle innefatta ett frihandelsavtal.
"Vi skulle vara fria att minska regleringsbördan för brittiska jordbrukare.  Vi skulle lägga lika mycket, eller mer, än vi gör nu på att stödja jordbrukare och miljön."
Borgmästare i London Boris Johnson vägde också in och stämplade den gemensamma jordbrukspolitiken "förtvivlad" och på ställen "korrupt".
Stora aktörer på båda sidor av argumentet har argumenterat för varför människor bör rösta för att lämna eller stanna kvar i folkomröstningen den 23 juni om Storbritanniens EU-medlemskap.
Vid ett besök i Denbighshire, där han kort vaggade ett nyfött lamm, sade David Cameron att fortsatt, obehindrat tillträde till EU:s inre marknad var avgörande för regionens jordbrukare och livsmedelsproducenter.
Resterande i EU-kampanjen har hävdat att mer än 90 procent av exporten av lamm och nötkött från Förenade kungariket - till ett värde av omkring 605 miljoner pund - för närvarande går till EU - bestrids av dem som stöder EU:s utträde.
David Cameron sade att EU inte var perfekt, men om jordbrukarna måste förlita sig på Världshandelsorganisationens regler i stället för EU-medlemskap, skulle de kunna ställas inför årliga tullar på upp till 40 % och extra kostnader på 240 miljoner pund för nötkött och 90 miljoner pund för lamm,
"Farmar står inför byråkrati, inspektioner, betalningssystemet och det är mycket viktigt att vi tar itu med dessa frågor men det finns en större fråga som är en marknad med 500 miljoner människor som vi kan sälja några av de bästa köttet i världen till," sade han.
Frågade om det fanns en plan B om Storbritannien skulle lämna, svarade han: "Självklart måste vi vara redo, vi har just lagt fram ett dokument om alternativen."
Kenneth Cameron berättade senare för de walesiska konservativas vårkonferens att alla alternativa handelsarrangemang med EU, inklusive ett som bygger på Kanadas frihandelsavtal, som John Johnson förespråkar, skulle leda till "nya hinder, begränsningar och kostnader för walesiska företag".
Om man bortser från Johnsons fall att Förenade kungariket skulle kunna behålla fördelarna med den inre marknaden utan EU-medlemskapets nackdelar, sade statsministern "om något låter för bra för att vara sant, så är det normalt för att det är det".
Före detta miljöminister Owen Paterson, som stöder EU:s utträde, har hävdat att Storbritannien skulle vara fritt att ställa sina egna subventioner och sin egen miljöpolitik utanför EU.
Han har sagt att "dotty idiocy" av EU-direktiv hade gjort översvämningar på brittisk jordbruksmark värre.
Storbritanniens jordbrukare fick 2,3 miljarder pund i direkta bidrag från den gemensamma jordbrukspolitiken 2015. Den gemensamma jordbrukspolitiken tar upp 39 % av EU:s budget - ungefär 23 procentenheter per dag för varje EU-medborgare.
Den nationella jordbruksunionen har utmanat båda sidor att ge mer bevis på fördelarna med att stanna kvar eller lämna landet, efter att ha beställt sin egen forskning om effekterna på priserna på jordbruksgrindar, jordbruksinkomster, råvaruproduktion och handelsflöden.
David Cameron har varnat för att det brittiska jordbruket skulle drabbas om Storbritannien röstade för att lämna EU.