Родился 20 сентября 1968 г. в Саратове. Вырос в Сочи (Краснодарский край).
Окончил Московский государственный технологический университет (МГТУ) "Станкин" по специальности "Инженер-системотехник". В 2005 г. проходил обучение в Лондоне (Великобритания), получил степень магистра делового администрирования (MBA) со специализацией "Получение права на проведение глобальных спортивных мероприятий".
В 1989-1991 гг. работал программистом в совместной телекоммуникационной компании Copris&M Co ("Коприс-энд-м ко").
В 1989 г. Дмитрий Чернышенко вместе с сокурсниками из МГТУ "Станкин" создал студию компьютерной графики "Информатика Маркетинг Сервис" (ИМС).
В 1991-1992 гг. занимал пост заместителя генерального директора ИМС.
В 1992-1994 гг. - директор рекламного агентства СФТ.
В 1994 г. стал одним из создателей компании Media Arts Group ("Медиа арт груп"), которая занималась рекламой и компьютерной графикой. В 1994-1996 гг. - творческий директор Media Arts Group. С 1996 г. являлся вице-президентом Media Arts Group.
В 1998-2002 гг. - генеральный директор компании ДТВ-МА (подразделение Media Arts Group, производство видеорекламы).
В 2002 г. Дмитрий Чернышенко возглавил компанию Sportima ("Спортима"), работавшую в сфере спортивного маркетинга. Sportima занималась организацией таких крупных общероссийских проектов, как "Лыжня России" и "Кросс нации".
В 2005 г. участвовал в рабочей группе по разработке проекта межнационального хоккейного турнира с рабочим названием Евро-Азиатская хоккейная лига.
30 ноября 2005 г. был назначен на пост генерального директора некоммерческой организации "Заявочный комитет Сочи-2014", возглавил кампанию за право проведения зимних Олимпийских и Паралимпийских игр 2014 г. в городе Сочи. После этого продал свою долю в Media Arts Group.
В 2007-2014 гг. Дмитрий Чернышенко входил в состав Совета при президенте РФ по развитию физической культуры и спорта, спорта высших достижений, подготовке и проведению XXII зимних Олимпийских игр и XI зимних Паралимпийских игр 2014 года в г. Сочи. В 2007-2008 гг. - секретарь Совета.
В 2007-2014 гг. - президент Организационного комитета XXII зимних Олимпийских игр и XI зимних Паралимпийских игр 2014 г. в Сочи.
В 2007-2014 гг. являлся заместителем председателя наблюдательного совета государственной корпорации "Олимпстрой".
С октября по декабрь 2014 г. возглавлял инвестиционную компанию Volga Group ("Волга груп"), управляющую активами предпринимателя Геннадия Тимченко.
С 28 ноября 2014 г. по 14 февраля 2020 г. являлся президентом - председателем правления Континентальной хоккейной лиги (КХЛ).
С января 2015 г. по январь 2020 г. - генеральный директор холдинга "Газпром-медиа". В апреле 2015 г. возглавил совет директоров радиостанции "Эхо Москвы".
С 21 января 2020 г. - заместитель председателя правительства РФ в кабинете Михаила Мишустина.
Курирует государственную политику в области цифрового развития, связи, массовых коммуникаций и СМИ, культуры, искусства, кинематографии, туризма, физической культуры, спорта, межнациональных отношений. Отвечает за взаимодействие с творческими союзами, религиозными организациями. С 26 февраля 2021 г. также руководит Координационным центром правительства РФ, который обеспечивает согласованные действия федеральных и региональных органов власти, организаций при разрешении штатных и нештатных ситуаций, а также реализации приоритетных задач кабинета министров. С ноября 2021 г. на Дмитрия Чернышенко также возложено кураторство АНО "Национальные приоритеты", образовательного фонда "Талант и успех", полномочия по обеспечению взаимодействия с органами власти федеральной территории "Сириус", основой которой является одноименный образовательный центр. С июля 2022 г. является куратором таких высокотехнологичных направлений как искусственный интеллект, квантовые вычисления, коммуникационные интернет-решения. С октября 2022 г. отвечает за вопросы развития перспективных сетей мобильной связи, новое индустриальное программное обеспечение.
Сопредседатель Совета по развитию Национального центра физики и математики (с 1 ноября 2021 г.; г. Саров, Нижегородская обл.).
Член Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам, также входит в его президиум (с февраля 2020 г.). Входит в состав Совета при президенте РФ по развитию физической культуры и спорта (с 2007 г.).
Председатель Правительственного совета по развитию отечественной кинематографии (с апреля 2020 г.). Председатель рабочей группы по исследовательским центрам в сфере искусственного интеллекта (с сентября 2021 г.).
Заместитель председателя - ответственный секретарь Координационного совета по борьбе с распространением новой коронавирусной инфекции на территории Российской Федерации (с 14 марта 2020 г.).
Является председателем совета директоров Национального рекламного альянса (с 2016 г.), председателем набсоветов АНО "Цифровая экономика" (с марта 2021 г.), МФТИ (с октября 2021 г.).
Член совета директоров РЖД (с 2020 г.), "Ростелекома" (с августа 2020 г.), наблюдательного совета Сбербанка (с сентября 2020 г.), Почты России (с декабря 2020 г.), Курчатовского института (с июля 2022 г.). Возглавляет наблюдательный совет Университета Иннополис (с апреля 2020 г.).
Возглавляет Координационный совет по подготовке и проведению в Российской Федерации чемпионата Европы по футболу UEFA 2020 года (с марта 2020 г.).
Заместитель председателя попечительского совета Российского международного олимпийского университета. Член попечительского совета Российской федерации баскетбола.
Сумма декларированного дохода за 2019 г. составила 432 млн 323 тыс. руб., супруги - 66 млн 842 тыс. руб.
Сумма декларированного дохода за 2020 г. составила 142 млн 719 тыс. руб., супруги - 59 млн 362 тыс. руб.
Сумма декларированного дохода за 2021 г. составила 45 млн 744 тыс. руб., супруги - 48 млн 477 тыс. руб.
Награжден орденами Почета (2007) и "За заслуги перед Отечеством" II степени (2014). Отмечен благодарностью президента РФ (2018).
Лауреат национальной премии "Спортивные звезды России" (2008). Удостоен золотого Олимпийского ордена МОК (2014).
Обладатель Гран-при ХVI национальной премии "Медиа-менеджер России" (2016). В 2018 г. Дмитрий Чернышенко был включен в список самых влиятельных медиаперсон Variety500 журнала об индустрии развлечений Variety.
Владеет английским языком.
Занимается горнолыжным спортом.