Родился 26 октября 1880 г. в семье военного чиновника в г. Омске. В 12-летнем возрасте остался без отца. Его старший брат Владимир участвовал в революционном движении, был арестован, скончался в заключении.
В 1898 г. окончил Сибирский кадетский корпус (Омск), затем продолжил образование в Санкт-Петербурге (в 1914-1924 гг. - Петроград, в 1924-1991 гг. - Ленинград). В 1890 г. стал выпускником Николаевского военно-инженерного училища, в 1911 г. - Николаевской инженерной академии, по окончании получив звание капитана. В 1938 г. завершил обучение в Академии Генерального штаба Рабоче-крестьянской Красной армии (РККА, ныне Военная академия генерального штаба Вооруженных сил РФ).
Профессор (1936), доктор военных наук (1941).
В 1900 г. Дмитрий Карбышев начал военную службу в чине подпоручика в Русской Императорской армии. В 1904-1905 гг. в составе 1-го Восточносибирского саперного батальона участвовал в русско-японской войне (1904-1905), был в сражении под Мукденом (1905). В 1906 г. по обвинению в революционной агитации среди солдат предан офицерскому суду, после этого вышел в отставку. В 1907 г. вернулся в армию, служил командиром роты Владивостокского саперного крепостного батальона. В 1913 г. он принимал участие в строительстве фортов Брестской крепости.
В годы Первой мировой войны воевал в составе 8-й армии генерала Алексея Брусилова на Юго-Западном фронте. В начале 1915 г. участвовал в осаде крепости Перемышль (ныне Пшемысль, Польша), в бою 19 марта 1915 г. был ранен в ногу. С 1915 г. - дивизионный инженер 72-й и 69-й пехотных дивизий XXII армейского корпуса. С 1916 г. - производитель работ 8-й армии Юго-Западного фронта, подполковник.
В декабре 1917 г. вступил в Красную гвардию, был инженером красногвардейского полка в г. Могилёв-Подольский (ныне в составе Винницкой области Украины). С мая 1918 г. в РККА, участник Гражданской войны (1917-1922). С июля 1918 г. служил в штабе Северо-Кавказского военного округа, участвовал в обороне Царицына (с 1925 г. - Сталинград, с 1961 г. - Волгоград). Позднее занимался строительством укрепленных районов. В 1920 г. на Южном фронте руководил инженерным обеспечением штурма укрепленного района армии Врангеля в районе Чонгарского полуострова и Перекопского перешейка.
В 1923-1926 гг. Дмитрий Карбышев был председателем Инженерного комитета Главного военно-инженерного управления РККА.
С 1926 г. преподавал в Военной академии РККА им. М. В. Фрунзе, с 1934 г. был начальником кафедры военно-инженерного дела. Один из авторов проекта строительства оборонительных "линии Сталина" (укрепленные районы вдоль границы СССР, существовавшей до 1939 г., от Карельского перешейка до берегов Черного моря) и "линии Молотова" (укрепления вдоль новой западной границы СССР после присоединения в 1939 г. Прибалтики и западных областей Украины и Белоруссии).
В 1936 г. назначен помощником начальника кафедры тактики высших соединений Академии Генерального штаба РККА.
В 1939-1940 гг. вырабатывал рекомендации войскам по инженерному обеспечению прорыва линии Маннергейма во время советско-финляндской войны (1939-1940).
В 1940 г. Дмитрию Карбышеву было присвоено звание генерал-лейтенанта инженерных войск.
В начале Великой Отечественной войны находился при штабе 10-й армии, 27 июня 1941 г. попал в окружение. Во время попытки выхода из окружения в августе 1941 г. был контужен в бою в районе Днепра, у д. Добрейка Могилёвской области Белорусской ССР. Попал в плен.
Содержался в концентрационных лагерях Замостье, Хаммельбург, Флоссенбург, Майданек, Освенцим, Заксенхаузен, где был одним из руководителей подполья. Отклонил предложение немецкого командования о сотрудничестве и работе на немцев по специальности фортификатора. 18 февраля 1945 г. в концлагере Маутхаузен (располагался близ коммуны Маутхаузен в Верхней Австрии) Дмитрий Карбышев был подвергнут пыткам, облит ледяной водой на морозе, в результате чего погиб. Тело военачальника было кремировано, прах захоронен в братской могиле на территории концентрационного лагеря. После окончания войны подробности смерти советского генерала рассказали другие узники Маутхаузена, в том числе майор канадской армии Седдон де Сент-Клер.
Генерал-лейтенант инженерных войск (1940).
Имел награды Российской империи - ордена Святого Владимира IV степени (1904), Святого Станислава II и III степеней (1905, 1904), Святой Анны II, III, IV степеней с мечами (1915, 1905). Был награжден орденом Ленина (1946), орденами Красной Звезды (1938), Красного Знамени (1940), медалью "XX лет РККА" (1938).
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 16 августа 1946 г. ему присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).
Автор более 100 научных публикаций по военно-инженерному искусству и военной истории, в том числе книг "Оборона Порт-Артура" (1933), "Инженерное обеспечение оборонительной операции" (1938) и др.
Был дважды женат. Первая супруга - Алиса Троянович (1874-1913). В 1916 г. женился на сестре милосердия Лидии Опацкой (1891-1976). В этом браке родилось трое детей: Елена (1919-2006) - служила военным инженером в частях ВМФ СССР, вышла в отставку в звании инженер-подполковника; Татьяна (1926-2003) - работала экономистом; Алексей (1929-1988) - преподавал в Московском финансовом институте (ныне Финансовый университет при Правительстве РФ), в 1970-1981 гг. заведовал кафедрой бухгалтерского учета.