Родился 7 июля 1971 г. в г. Астрахани в семье инженеров-геофизиков.
В 1993 г. окончил Уфимский нефтяной институт (ныне Уфимский государственный нефтяной технический университет) по специальности "горный инженер-геофизик", в 2004 г. - институт профессиональной переподготовки и повышения квалификации Уральской академии государственной службы (ныне Уральский институт управления, филиал РАНХиГС) по специальности "государственное и муниципальное управление", в 2012 г. - Институт экономики и финансов "Синергия", в 2016 г. - Тюменский государственный университет.
Доктор экономических наук. В 2012 г. в РАНХиГС защитил кандидатскую диссертацию на тему "Совершенствование государственной политики занятости населения в арктических регионах России".
Работал в геофизическом объединении "Шельф" в г. Геленджике (Краснодарский край).
В ноябре 1993 г. переехал в Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО). До марта 1994 г. занимал должность инженера комплексной геофизической партии в Тарасовском управлении геофизических работ.
С апреля 1994 г. по май 1995 г. - геолог Таркосалинской нефтегазоразведочной экспедиции в ЯНАО.
С октября 1996 г. по май 2001 г. - директор по персоналу, первый заместитель генерального директора ОАО "Пурнефтегазгеология" Анатолия Острягина.
С 2000 г. руководил разработкой Ханчейского месторождения и организацией нефтегазодобывающего производства. В мае 2001 г. был назначен генеральным директором ОАО "Ханчейнефтегаз".
С октября 2002 г. по август 2005 г. занимал пост первого заместителя главы администрации Пуровского района Ямало-Ненецкого автономного округа Анатолия Острягина (в 2005-2007 гг. – заместитель, первый заместитель губернатора ЯНАО).
В 2005-2010 гг. - глава муниципального образования "Пуровский район". С августа 2005 г. исполнял обязанности руководителя района. 23 октября 2005 г. был избран на должность главы муниципального образования (в выборах участвовал в порядке самовыдвижения). За него проголосовали 77,24% избирателей.
В 2009 г. Дмитрий Кобылкин был включен в кадровый резерв президента РФ.
С 3 марта 2010 г. по 18 мая 2018 г. – губернатор Ямало-Ненецкого автономного округа.
3 марта 2010 г. Законодательное собрание утвердило его на посту главы региона по представлению президента РФ Дмитрия Медведева (сменил на этом посту Юрия Неелова). 16 марта того же года Дмитрий Кобылкин официально вступил в должность.
4 декабря 2011 г. баллотировался в Государственную думу РФ VI созыва, возглавлял региональный список "Единой России" в Ямало-Ненецком автономном округе. В Думу прошел, но от депутатского мандата отказался.
12 марта 2015 г. указом президента РФ Владимира Путина Дмитрий Кобылкин был назначен врио губернатора Ямало-Ненецкого автономного округа в связи с истечением срока полномочий.
1 октября 2015 г. депутаты Законодательного собрания ЯНАО избрали его главой округа ("за" - 21 депутат из 22). В тот же день Дмитрий Кобылкин официально вступил в должность.
С 18 мая 2018 г. по 9 ноября 2020 г. - министр природных ресурсов и экологии РФ. Сменил на этом посту Сергея Донского. В 2018-2020 гг. Дмитрий Кобылкин был членом правительства Дмитрия Медведева, в 2020 г. - Михаила Мишустина.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. от партии "Единая Россия". Баллотировался под вторым номером региональной группы №9 (Курганская, Тюменская обл., ХМАО, ЯНАО) федерального списка кандидатов. Член фракции "Единая Россия". С 12 октября 2021 г. - председатель комитета Госдумы РФ по экологии, природным ресурсам и охране окружающей среды.
Член бюро высшего совета партии "Единая Россия". Член комиссии генсовета "Единой России" по международному сотрудничеству и поддержке соотечественников за рубежом (с ноября 2021 г.). Занимал должности врио заместителя секретаря генсовета партии (2020-2021).
Координатор направления "Экология для жизни" Программной комиссии "Единой России" (с февраля 2022 г.).
Входит в состав Совета при президенте РФ по делам казачества (с ноября 2019 г.).
Был членом наблюдательного совета госкорпорации "Ростех" (с сентября 2018 г. по январь 2021 г.).
Награжден орденом Дружбы (2015), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2012).
Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники 2012 г. за комплекс новых методов контроля разработки газовых и газоконденсатных месторождений, минимизирующих техногенное воздействие на окружающую среду.
Имеет награду Русской православной церкви - орден Святого благоверного князя Даниила Московского III степени (2015).