Родился 1 декабря 1969 г. в Москве в семье Юрия Георгиевича Марьянова и Людмилы Романовны Лидовой. Отец - мастер по гаражному оборудованию, мать - бухгалтер. В детстве Дмитрий Марьянов занимался плаванием, самбо, боксом.
Учился в театральной школе при Театре-студии на Красной Пресне (ныне - "Московский театр ОКОЛО дома Станиславского").
В 1992 г. окончил в Москве актерский факультет Высшего театрального училища им. Б. В. Щукина (ныне - Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евгения Вахтангова), где занимался в мастерской Юрия Авшарова. После первого курса был призван в армию, служил в части Военно-воздушных сил в Вышнем Волочке (Тверская область).
С 1992 по 2003 г. Дмитрий Марьянов являлся актером Московского государственного театра "Ленком". Исполнял роли в спектаклях: "Бременские музыканты" по мотивам одноименной сказки братьев Гримм, "Юнона и Авось" по поэме Андрея Вознесенского "Авось", "Жестокие игры" по пьесе Алексея Арбузова, "Варвар и еретик" по роману Федора Достоевского "Игрок", "Две женщины" по комедии Ивана Тургенева "Месяц в деревне" и др.
С 2003 г. сотрудничал с продюсерской компанией Эльшана Мамедова "Независимый театральный проект". Был задействован в постановках "Рикошет" по пьесе Эдварда Тейлора, "Ladies' Night" по комедии Энтони Маккартена, Стефана Синклера и Жака Коллара, "Игра в правду" по пьесе Филиппа Лелюша, "Белоснежка и другие" по мотивам сказки братьев Гримм "Белоснежка и семь гномов".
Исполнял роль диджея Димы в спектаклях "День выборов" и "День радио", поставленных комическим театром "Квартет И".
Дмитрий Марьянов был широко известен в качестве киноактера. Первую главную роль в кино он исполнил в 15-летнем возрасте, сыграв школьника Алика Радугу в музыкальном телефильме "Выше Радуги" по одноименному произведению Сергея Абрамова (1985, режиссер Георгий Юнгвальд-Хилькевич). В 1988 г. Марьянов снялся в роли старшеклассника Павла в психологической драме Эльдара Рязанова "Дорогая Елена Сергеевна" по пьесе Людмилы Разумовской, в 1991 г. - в роли студента Вадима в мелодраме Валерия Тодоровского "Любовь".
Получив профессиональное актерское образование, исполнял различные роли в фильмах и сериалах: "Какая чудная игра" (1995, режиссер Петр Тодоровский), "Змеиный источник" (1997, Николай Лебедев), "Ростов-папа" (2000-2001, Кирилл Серебренников и Илья Малкин), "Львиная доля" (2001, Александр Муратов), "Кавалеры морской звезды" (2003, Евгений Звездаков), "Боец" (2004, Евгений Серов), "Студенты" (2005, Ольга Перуновская), "Мираж" (2008, Тигран Кеосаян), "Отцы" (2010, Арменак Назикян), "Норвег" (2015, Алена Званцова), "Вышибала" (2016, Сергей Крутин) и др. В общей сложности фильмография Дмитрия Марьянова насчитывает более семидесяти работ.
Дмитрий Марьянов скончался 15 октября 2017 г. в Лобне (Московская область) на 48-м году жизни. Похоронен 18 октября 2017 г. на Химкинском кладбище Москвы.
Лауреат премии благотворительного фонда им. Евгения Леонова (1998, за роль в спектакле "Две женщины").
Обладатель награды за лучшую мужскую роль второго плана Всероссийского Шукшинского кинофестиваля (2016, за роль в фильме "Норвег").
Был женат на психологе Ксении Бик. У них родилась дочь Анфиса. Также у Дмитрия Марьянова остался сын Даниил. Его матерью является манекенщица Ольга Аносова.