Родился 13 октября 1977 г. в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург). Его отец - Николай Патрушев, был сотрудником управления Комитета государственной безопасности СССР по Ленинградской области. С 1999 г. занимал пост директора ФСБ России, в 2008-2024 г. был секретарем Совета безопасности РФ, с мая 2024 г. помощник президента РФ.
В 1999 г. Дмитрий Патрушев окончил Государственный университет управления по специальности "менеджмент". В 2002-2004 гг. обучался в Дипломатической академии Министерства иностранных дел РФ по специальности "мировая экономика".
Доктор экономических наук. В 2003 г. в Санкт-Петербургском государственном университете экономики и финансов защитил диссертацию кандидата экономических наук по теме "Организационно-экономические основы развития процессного подхода в управлении качеством научно-исследовательских организаций". В 2008 г. в том же вузе защитил докторскую диссертацию на тему "Государственные и рыночные регуляторы в формировании и реализации промышленной политики".
В 1999-2002 гг. работал в Министерстве транспорта РФ.
В 2004 г. поступил на работу в Банк внешней торговли (ОАО "Внешторгбанк", с 1 марта 2007 г. - ОАО "Банк ВТБ"). С 2007 г. занимал должность старшего вице-президента Банка ВТБ.
С мая 2010 г. по май 2018 г. - председатель правления, член наблюдательного совета Россельхозбанка.
В 2016-2021 гг. входил в совет директоров ПАО "Газпром". Вновь стал членом совета директоров компании в июне 2022 г.
С 18 мая 2018 г. по 14 мая 2024 г. - министр сельского хозяйства РФ (в 2018-2020 гг. - в правительстве Дмитрия Медведева, в 2020-2024 гг. - в правительстве Михаила Мишустина).
С 14 мая 2024 г. - заместитель председателя правительства РФ Михаила Мишустина. В Госдуме его назначение поддержали 433 депутата из 448, голосовавших против и воздержавшихся не было. Дмитрий Патрушев курирует госполитику в области сельского хозяйства и агропромышленного комплекса, рыбного и лесного хозяйства, оборота земель сельхозназначения, развития сельских территорий, гидрометеорологии. Отвечает за вопросы использования и охраны природных ресурсов, государственного экологического мониторинга, особо охраняемых природных территорий и охраны окружающей среды, госполитика в области ограничения выбросов парниковых газов, климатических проектов. Координирует социально-экономическое развитие регионов Сибирского федерального округа.
Член наблюдательного совета Курчатовского института (с июля 2022 г.).
Награжден орденом Почета (2016). Имеет благодарность правительства РФ (2016).