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. в Санкт-Петербургском государственном университете защитил диссертацию на тему "Психология влияния средств массовой информации на формирование политических установок личности". Профессор.
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 2000–2009 гг. был сопредседателем секции Форума гражданских обществ России и Германии "Петербургский диалог".
В январе 2002 г. стал членом Совета Федерации (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.
С 2008 г. – профессор, заведующий кафедрой политической психологии Санкт-Петербургского госуниверситета (по совместительству).
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 2013-2015 гг. - генеральный секретарь Шанхайской организации сотрудничества. 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 (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.
17 апреля 2025 г. Дмитрий Мезенцев перешел на работу в Администрацию президента РФ, где занял пост полномочного представителя главы государства в Конституционном суде. Сменил в должности Александра Коновалова.
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), медалью П. А. Столыпина II степени (2025). Имеет Почетную грамоту президента РФ (2009).
Кавалер ордена Почетного Легиона (2007, Франция).
Удостоен награды Всемирного форума по изучению Китая за вклад в развитие китаеведения (2018).