Родился 18 августа 1959 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
В 1981 г. Дмитрий Мезенцев окончил Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта им. академика В. Н. Образцова (ныне Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I) по специальности "инженер путей сообщения".
Кандидат психологических наук. В 1998 г. защитил в Санкт-Петербургском государственном университете диссертацию на тему "Психология влияния средств массовой информации на формирование политических установок личности". Доцент.
В институте был комсоргом курса, секретарем бюро ВЛКСМ факультета, комиссаром студенческого стройотряда на строительстве Байкало-Амурской магистрали.
После окончания вуза, в 1981-1983 гг., работал мастером цеха текущего ремонта Ленинград-Балтийского локомотивного депо Октябрьской железной дороги (ОЖД).
С 1983 г. был секретарем комитета ВЛКСМ Витебского отделения ОЖД, заведующим организационным отделом Ленинского райкома комсомола, затем ответственным организатором, заведующим сектором информации Ленинградского горкома ВЛКСМ.
В 1984-1990 гг. служил в железнодорожных войсках. Был секретарем комитета ВЛКСМ батальона курсантов Ленинградского высшего училища железнодорожных войск и военных сообщений им. Фрунзе, работал в армейских печатных изданиях.
В 1990-1991 гг. народный депутат Ленсовета, руководитель пресс-центра Ленгорисполкома и Ленсовета, председателем которого был Анатолий Собчак.
С 1991 г. был председателем комитета по печати и средствам массовой информации мэрии Санкт-Петербурга, представителем Министерства информации и печати РФ в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. После поражения мэра Санкт-Петербурга Анатолия Собчака на выборах в 1996 г. покинул свой пост и переехал в Москву.
В 1996 г. занял должность заместителя председателя Государственного комитета РФ по печати Ивана Лаптева.
В конце 1999 г. был назначен президентом фонда "Центр стратегических разработок" при правительстве РФ. Председателем совета фонда являлся Герман Греф. В мае 2001 г. возглавил совет сибирского филиала фонда, в 2002 г. был назначен заместителем председателя совета Центра стратегических разработок.
Участвовал в президентской избирательной кампании Владимира Путина в 2000 г.
В январе 2002 г. стал членом Совета Федерации РФ - представителем от администрации Иркутской области. В 2004-2009 гг. - заместитель председателя верхней палаты парламента Сергея Миронова, курировал информационную политику и экономические вопросы. С января 2002 г. по октябрь 2005 г. возглавлял комиссию Совета Федерации по информационной политике, с мая 2002 г. входил в состав комитета по экономической политике, предпринимательству и собственности, был членом комиссий по информационной политике и по культуре.
В 2006 г. был избран председателем правления Делового совета Шанхайской организации сотрудничества (ШОС), занимал должность до 2013 г.
28 мая 2009 г. кандидатура Дмитрия Мезенцева была представлена президентом РФ Дмитрием Медведевым на пост губернатора Иркутской области, после гибели в авиакатастрофе прежнего главы региона Игоря Есиповского. 8 июня 2009 г. Дмитрий Мезенцев был единогласно утвержден Законодательным собранием региона, в тот же день вступил в должность губернатора области.
В декабре 2011 г. профсоюзный комитет Восточно-Сибирской железной дороги РЖД выдвинул Дмитрия Мезенцева кандидатом в президенты России. Однако в январе 2012 г. ЦИК РФ отказал ему в регистрации из-за недостаточного количества достоверных подписей.
18 мая 2012 г. президент РФ Владимир Путин принял отставку Дмитрия Мезенцева с поста губернатора Иркутской области в связи с его заявлением о досрочном прекращении полномочий.
7 июня 2012 г. на саммите глав государств Шанхайской организации сотрудничества он был утвержден на посту генерального секретаря ШОС. Официально вступил в должность 1 января 2013 г. - сроком на три года, до 31 декабря 2015 г.
22 сентября 2015 г. указом избранного губернатора Сахалинской области Олега Кожемяко Дмитрий Мезенцев был наделен полномочиями члена Совета Федерации РФ от Сахалинской области. Указ вступил в силу 31 декабря 2015 г., когда истек срок полномочий Мезенцева на посту генсека ШОС. 29 ноября 2017 г. он был избран председателем комитета Совфеда по экономической политике (сменил на посту Юрия Неёлова). Полномочия сенатора были прекращены досрочно 29 мая 2019 г. в связи с его переходом на дипломатическую работу.
В 2016-2019 гг. - председатель Общества российско-китайской дружбы.
С 30 апреля 2019 г. по 19 марта 2021 г. - чрезвычайный и полномочный посол РФ в Белоруссии. Сменил на этом посту Михаила Бабича.
21 марта 2021 г. назначен государственным секретарем Союзного государства России и Белоруссии. Соответствующее постановление подписал председатель Высшего государственного совета Союзного государства, президент Белоруссии Александр Лукашенко. На посту госсекретаря Союзного государства Мезенцев сменил Григория Рапоту.
Член Союза журналистов России.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 5 млн 746 тыс. руб., супруги - 4 млн 760 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 6 млн 247 тыс. руб., супруги - 3 млн 263 тыс. руб.
Имеет дипломатический ранг чрезвычайного и полномочного посла (2014).
Награжден орденами Почета (2005), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2019, 2007), Александра Невского (2015). Кавалер ордена Почетного Легиона (2007, Франция). Имеет Почетную грамоту президента РФ (2009).
Удостоен награды Всемирного форума по изучению Китая за вклад в развитие китаеведения (2018).