Родился 22 мая 1973 г. в Куйбышеве (ныне Самара).
В 1997 г. окончил электромеханический факультет Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения, получив квалификацию "инженер-электромеханик". В 2009 г. прошел обучение в Балтийском государственном техническом университете им Д. Ф. Устинова по программе MBA ("эм-би-эй", "мастер делового администрирования"). В 2013 г. окончил Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" по специальности "юриспруденция".
С 1994 г. Дмитрий Пегов работал помощником машиниста, машинистом электропоезда, машинистом-инструктором локомотивных бригад (скоростного движения), заместителем начальника по ремонту моторвагонного депо Санкт- Петербург - Московский Октябрьская железная дорога (ОЖД). Участвовал в испытаниях опытного скоростного электропоезда ЭС-250 "Сокол".
В 2004 г. был назначен начальником депо Санкт-Петербург - Московский ОЖД.
С июня 2009 г. Дмитрий Пегов - начальник Северо-Западной дирекции скоростного сообщения при Дирекции скоростного сообщения (ДОСС), филиале ОАО "Российские железные дороги". Отвечал за организацию пассажирского скоростного и высокоскоростного движения, включая эксплуатацию поездов "Сапсан", "Аллегро" и "Ласточка".
С декабря 2009 г. - заместитель генерального директора, а с 1 февраля 2010 г. - генеральный директор ДОСС. Курировал запуск маршрутов скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения в России (Москва - Нижний Новгород, Санкт-Петербург - Хельсинки, несколько маршрутов электропоезда "Ласточка").
22 июля 2014 г. был назначен начальником ГУП "Московский метрополитен" - после того, как предыдущий руководитель Иван Беседин был отправлен в отставку после крушения поезда на перегоне "Славянский бульвар" - "Парк Победы" 15 июля 2014 г. (тогда были 24 человека).
15 мая 2017 г. департамент транспорта Москвы сообщил ТАСС, что Дмитрий Пегов перейдет на работу в ОАО "РЖД", где будет курировать блок пассажирских перевозок.
23 мая 2017 г. Дмитрий Пегов занял пост директора по пассажирским перевозкам ОАО "РЖД", столичный метрополитен вместо него возглавил Виктор Козловский.
В декабре 2018 г. занял пост заместителя генерального директора РЖД.
Награжден орденом Дружбы (2023). Имеет благодарность Правительства РФ (2008).
Увлечение: полеты на легкомоторных самолетах.