Родился 28 апреля 1933 г. в Москве. Отец, Борис Николаевич Зимин, доцент Московского механико-машиностроительного института им. Н. Э. Баумана (ныне Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана), в 1935 г. был репрессирован и вскоре умер в лагере. В 1958 г. реабилитирован посмертно. Мать, Берта Борисовна, работала машинисткой.
В 1957 г. Дмитрий Зимин стал выпускником факультета радиоэлектроники летательных аппаратов Московского авиационного института (МАИ).
Доктор технических наук (1984).
После окончания вуза пять лет работал в лаборатории при МАИ, в 1962 г. перешел на работу в Радиотехнический институт Академии наук СССР (ныне Радиотехнический институт им. академика А. Л. Минца, Москва), где занимал должности начальника лаборатории, начальника научного отдела, директора центра по разработке радиотехнического обеспечения. Занимался разработкой радиолокационных систем на основе фазированных антенных решеток. Был заместителем главного конструктора радиолокационной станции (РЛС) "Дон-2Н" Виктора Слоки. Эта РЛС входит в систему противоракетной обороны Центрального промышленного района, принята на вооружение в 1989 г.
После сокращения числа оборонных заказов в начале 1990-х гг. Дмитрий Зимин создал предприятие "КБ Импульс" по проектированию и выпуску гражданской радиоаппаратуры.
В 1992 г. вместе с американским инвестором Оги К. Фабелой II основал компанию АООТ "Вымпел-Коммуникации" (ныне ПАО "Вымпелком"). В 1993 г. она получила лицензию на предоставление мобильной связи в центре Москвы и начало работы под брендом "Билайн". В компании Зимин занял пост президента и генерального директора. В 1996 г. "Вымпелком" стал первой компанией из России, вышедшей на Нью-Йоркскую фондовую биржу.
В 2001 г. Дмитрий Зимин продал почти весь свой пакет акций "Вымпелкома", вышел из состава ее руководства, оставшись почетным президентом компании.
В 1997 г. по инициативе Зимина был основан Фонд некоммерческих программ "Би-Лайн". В 2002 г. он был переименован в Фонд некоммерческих программ Дмитрия Зимина "Династия". Целью фонда был поиск и поддержка молодых исследователей в области естественных и общественных наук. Основные средства "Династия" получила от Зимина, но также от российских бизнесменов и зарубежных жертвователей, в том числе Норвежской академии наук. 25 мая 2015 г. "Династия" была включена в реестр некоммерческих организаций - иностранных агентов, после чего Дмитрий Зимин объявил, что прекращает ее финансирование. Фонд прекратил деятельность 31 октября 2015 г.
В 2018 г. на Бермудских островах Зиминым и его сыном Борисом был зарегистрирован фонд Zimin Family Foundation ("Зимин фэмили фаундэйшн"), который занялся финансированием различных научных проектов в разных странах мира. Такими проектами стали Институт устойчивого развития и "умных" городов при Университете штата Аризона (США), медико-биологический Институт Зимина при Тель-Авивском университете (Израиль), а также лаборатории при ряде других университетов.
Кроме того, при поддержке Зимина в 2005 г. был основан некоммерческий научно-популярный проект "Элементы", а в 2008 г. - премия "Просветитель" за лучшую научно-популярную книгу на русском языке.
Скончался 22 декабря 2021 г. в Швейцарии на 89-м году жизни.
Дмитрий Зимин - лауреат специальной премии Минобрнауки РФ "За покровительство российской науке" (2015). Был отмечен благодарностью президента РФ (2012).
Был награжден медалью за благотворительность Британского траста Карнеги (2012).
Дмитрий Зимин - автор более 100 научных трудов и изобретений.
Сын Борис - предприниматель, основатель фонда поддержки независимых СМИ "Среда" (в 2015 г. признан иноагентом и закрыт).