Родился 18 августа 1959 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).
В 1981 г. 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". Профессор. Докторант МГИМО МИД РФ.
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.
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 (мэр Санкт-Петербурга в 1991-1996 гг. - Анатолий Собчак).
В 1996 г. переехал в Москву, где 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 (сенатором) - 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.
В 2009-2012 гг. - губернатор Иркутской области. 28 мая 2009 г. президент РФ Дмитрий Медведев внес кандидатуру Дмитрия Мезенцева в заксобрание Иркутской области для утверждения его в должности губернатора региона. 8 июня 2009 г. депутаты областного парламента единогласно утвердили представленную кандидатуру. В тот же день Дмитрий Мезенцев вступил в должность. 18 мая 2012 г. сложил полномочия губернатора Иркутской области досрочно.
В декабре 2011 г. был выдвинут кандидатом на пост президента РФ от профсоюзного комитета Восточно-Сибирской железной дороги РЖД. Однако в январе 2012 г. ЦИК РФ отказал Дмитрию Мезенцеву в регистрации из-за недостаточного количества достоверных подписей.
В 2012-2015 гг. - генеральный секретарь Шанхайской организации сотрудничества (ШОС). Был утвержден на пост генсека ШОС 7 июня 2012 г. на саммите глав государств Шанхайской организации сотрудничества. Официально вступил в должность 1 января 2013 г. сроком на три года - до 31 декабря 2015 г.
С декабря 2015 г. по май 2019 г. - сенатор, представитель от исполнительного органа государственной власти Сахалинской области в Совете Федерации РФ (наделен полномочиями указом губернатора Сахалинской области Олега Кожемяко 22 сентября 2015 г., указ вступил в силу 31 декабря 2015 г.). С 29 ноября 2017 г. занимал пост председателя комитета Совфеда по экономической политике.
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.
19 марта 2021 г. Дмитрий Мезенцев был 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.
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).