Родился 18 октября 1982 г. в пос. Рябинино Чердынского района Пермской области (ныне Пермский край).
В 2004 г. окончил юридический факультет Пермского государственного университета (ныне Пермский государственный национальный исследовательский университет) по специальности "юриспруденция".
После окончания вуза работал в отделе контроля органов власти Управления Федеральной антимонопольной службы (ФАС) по Пермской области.
В 2004-2008 гг. был юристом одного из промышленных предприятий Пермской области (с 2005 г. - края).
С апреля 2008 г. - заместитель руководителя Управления ФАС России по Пермскому краю. 8 июня 2009 г. был назначен руководителем УФАС России по Пермскому краю.
В январе 2013 г. переехал в Москву.
28 января 2013 г. был назначен начальником управления контроля топливно-энергетического комплекса (ныне управление регулирования топливно-энергетического комплекса и химической промышленности) ФАС России.
18 сентября 2016 г. баллотировался в Государственную думу РФ VII созыва по списку партии "Яблоко", был первым номером в региональной группе №27 (Пермский край). В Думу не прошел, так как партия не преодолела 5-процентный барьер.
6 февраля 2020 г. президент РФ Владимир Путин назначил Дмитрия Махонина временно исполняющим обязанности губернатора Пермского края. Прежний руководитель региона Максим Решетников был назначен министром экономического развития РФ.
В единый день голосования 13 сентября 2020 г. Дмитрий Махонин избран губернатором Пермского края. За него проголосовали 75,69% избирателей (баллотировался в порядке самовыдвижения). Второе место заняла кандидат от КПРФ, помощник депутата законодательного собрания региона Ксения Айтакова (13,63%). 7 октября того же года Дмитрий Махонин официально вступил в должность.
Член партии "Единая Россия" (с ноября 2023 г.), и. о. секретаря регионального отделения партии в Пермском крае (с ноября 2023 г.).
Государственный советник РФ I класса (2016).
Награжден орденом Дружбы (2023), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2015). Имеет благодарность президента РФ (2015).