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, госполитику в области ограничения выбросов парниковых газов, климатических проектов. Координирует социально-экономическое развитие регионов Сибирского федерального округа.
Председатель Постоянно действующей противоэпизоотической комиссии правительства РФ (с августа 2024 г.).
Председатель наблюдательного совета компании "Российский экологический оператор" (с 21 июня 2024 г.).
Член наблюдательного совета Курчатовского института (с июля 2022 г.).
Награжден орденом Почета (2016). Имеет благодарность правительства РФ (2016).