Родился 23 февраля 1969 г. в Мурманске в семье первого секретаря Мурманского горкома комсомола Валентина Ивановича Мантурова (род. 1938). В 1976 г. с родителями переехал в г. Бомбей (Индия), куда его отец, получивший второе образование во Всесоюзной академии внешней торговли, был направлен директором советского культурного центра. В дальнейшем Валентин Мантуров занимал должности первого секретаря постоянного представительства СССР при ООН в Нью-Йорке (США; в 1984-1987 гг.) и советника посольства СССР и РФ в Республике Шри-Ланка (1988-1993).
В 1994 г. Денис Мантуров окончил социологический факультет Московского государственного университета (МГУ) им. М. В. Ломоносова, в 1997 г. - аспирантуру МГУ. В 2002-2005 гг. учился в докторантуре Московского авиационного института. В 2006 г. окончил Российскую академию государственной службы при президенте РФ по специальности "юриспруденция".
Доктор экономических наук. В 1997 г. в МГУ им. М. В. Ломоносова защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата экономических наук по теме "Социально-экономический анализ инвестиционной деятельности в регионах России". В 2022 г. в Российской академии народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ защитил докторскую диссертацию на тему "Теория и практика разработки и реализации новой модели промышленной политики".
В 1990-х гг. работал в российско-индийской компании "Аэрорепкон", специализировавшейся на авиаперевозках и экспорте авиатехники.
В 1996 г. создал компанию "Белл лайн центр столичный", которая стала одним из первых дилеров сотового оператора "Билайн".
С 1998 по 2000 г. - заместитель генерального директора ОАО "Улан-Удэнский авиационный завод".
В 2000-2001 гг. - коммерческий директор ОАО "Московский вертолетный завод им. М. Л. Миля".
В 2001 г. стал заместителем председателя федерального государственного унитарного предприятия "Государственная инвестиционная корпорация" (Госинкор, ликвидировано в 2003 г.).
С 2003 по 2007 г. - генеральный директор ОАО "Объединенная промышленная корпорация "Оборонпром" (дочерняя структура "Рособоронэкспорта"; пост председателя совета директоров занимал Сергей Чемезов, ныне - генеральный директор госкорпорации "Ростех").
В 2004 г. вошел в состав советов директоров ОАО "ОКБ "Сухой", ОАО "Курганмашзавод", с 2005 г. был председателем совета директоров ОАО "Московский вертолетный завод им. М. Л. Миля", членом совета директоров ОАО "Камов".
С 11 сентября 2007 г. по 19 мая 2008 г. - заместитель министра промышленности и энергетики РФ Виктора Христенко.
С 19 мая 2008 г. по 21 мая 2012 г. - заместитель министра промышленности и торговли РФ (образовано в 2008 г. на базе министерства промышленности и энергетики). Курировал оборонный и химико-технологический комплексы, таможенно-тарифную политику. Входил в состав правительственной комиссии по обеспечению реализации мер по предупреждению банкротства стратегических предприятий и организаций.
Одновременно с 1 декабря 2011 г. был профессором кафедры "Системы управления экономическими объектами" Московского авиационного института.
С 2 февраля по 21 мая 2012 г. исполнял обязанности министра промышленности и торговли РФ в правительстве Владимира Путина в связи отставкой главы ведомства Виктора Христенко.
С 21 мая 2012 г. - министр промышленности и торговли РФ в правительствах Дмитрия Медведева (2012-2020) и Михаила Мишустина (2020-н.в.).
В 2013-2018 гг. занимал должность заведующего кафедрой социальных технологий социологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
С 15 июля 2022 г. - заместитель председателя правительства РФ - министр промышленности и торговли РФ (в правительстве Михаила Мишустина). Кандидатура Дениса Мантурова была одобрена Госдумой РФ (решение поддержали 394 депутата, один воздержался). В тот же день он был утвержден в должности указом главы государства.
Курирует вопросы государственной политики в сфере промышленности, национальной обороны, гособоронзаказа, правоохранительной деятельности, военно-технического сотрудничества с иностранными государствами, мобилизационной подготовки и управления государственным материальным резервом. Отвечает за выполнение программ развития атомной, ракетно-космической, судостроительной, авиационной, радиоэлектронной и оборонной отраслей, технологический и атомный надзор. Кроме того, в его ведении - сфера госполитики в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обустройство государственной границы, развитие системы ГЛОНАСС. Куратор Уральского федерального округа. С июля 2022 г. отвечает за технологии создания ракетно-космической техники нового поколения, мобильные сети связи пятого поколения, электронная компонентная база и квантовые сенсоры. С октября 2022 г. - за развитие технологии новых материалов и веществ,
Заместитель председателя Военно-промышленной комиссии (ВПК) РФ, председатель коллегии ВПК (с июля 2022 г.). С 2014 г. был членом ВПК. До 2014 г. занимал должность заместителя председателя Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ.
Входит в состав Совета при президенте РФ по науке и образованию (с марта 2021 г.).
Заместитель председателя Координационного совета при правительстве РФ по обеспечению потребностей Вооруженных сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов (с октября 2022 г.).
Председатель межведомственной комиссии по вопросам бронирования граждан, пребывающих в запасе (с сентября 2022 г.).
Председатель наблюдательных советов госкорпораций "Ростех" (с 2012 г.) и "Роскосмос" (с июля 2022 г.), совета директоров "Автоваза" (с мая 2022 г.), попечительского совета Фонда перспективных исследований (с июля 2022 г.). Член совета директоров ПАО "Газпром" (с июня 2017 г.), наблюдательного совета госкорпорации "Росатом" (с июля 2022 г.).
Председатель межгосударственной комиссии по военно-экономическому сотрудничеству ОДКБ (с ноября 2022 г.).
Был председателем совета директоров Объединенной авиастроительной корпорации (2015-2019), членом совета директоров ОАО "Роснано" и др.
Действительный государственный советник РФ I класса (2010).
Награжден орденами Дружбы (2008), Почета (2009), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2022, 2016, 2013), Александра Невского (2018), медалями ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2007) и П. А. Столыпина I степени (2018). Отмечен Почетной грамотой (2010) и благодарностью (2019) правительства РФ.
Имеет Командорский крест со звездой ордена Заслуг (Венгрия, 2021), орден Дружбы Республики Узбекистан (2022).
Заслуженный экономист РФ (2019).
Один из авторов патента №56329 на "законцовку лопасти вертолета" (патентообладеталь - ОАО "Объединенная промышленная корпорация "Оборонпром"; 2006).