Родился 24 февраля 1900 г. в г. Лодзи Петроковской губернии Российской империи (ныне - Польша) в еврейской семье. Его отец был экономистом, мать вела домашнее хозяйство. Родители Розенталя разговаривали на немецком и польском языках, а также на идише; русский язык он изучал в школе. В 1914 г., после начала Первой мировой войны, семья переехала к родственникам в Москву.
В 1923 г. Дитмар Розенталь окончил историко-филологический факультет Московского государственного университета (МГУ) по специальности "итальянский язык", в 1924 г. - экономический факультет Московского института народного хозяйства им. Карла Маркса (ныне - Российский экономический университет им. Г. В. Плеханова).
Кандидат педагогических наук (1949). Ученая степень была присвоена без защиты диссертации за учебник "Итальянский язык. Элементарный курс", изданный в том же году. Профессор (1961).
В 1924-1926 гг. был аспирантом, научным сотрудником Ассоциации научно-исследовательских институтов общественных наук. В 1926 г. проходил стажировку в Италии, занимался изучением местных диалектов.
В 1922-1923 гг. Дитмар Розенталь преподавал в средней школе, в 1923-1936 гг. - на рабфаке им. Артема в Москве (читал лекции по полонистике).
С 1927 по 1962 г. работал на филологическом факультете МГУ, был преподавателем польского языка, соавтором самоучителя, русско-польского и польско-русского словарей.
Также преподавал в Московском полиграфическом институте (1940-1962).
В 1938-1962 гг. - заместитель главного редактора журнала "Русский язык в школе".
В 1962-1985 гг. - профессор факультета журналистики МГУ, заведующий кафедрой стилистики русского языка, в 1985-1994 гг. - профессор-консультант.
Кроме этого, работал преподавателем во Всесоюзной плановой академии, Московском заочном педагогическом институте, Центральном институте усовершенствования учителей. Руководил группой дикторов телевидения и радио СССР. Входил в состав Орфографической комиссии Института русского языка Академии наук СССР.
Дитмар Розенталь опубликовал свыше 400 научных работ. Основные достижения ученого в русистике - сбор и систематизация правил орфографии и пунктуации русского языка; исследования в области русского языка и культуры речи; создание (совместно с Константином Былинским) теории практической стилистики русского языка.
Работы Розенталя по вопросам правописания и стилистики на протяжении нескольких десятилетий широко используются большинством пишущих на русском языке: ученых, преподавателей, журналистов. Среди его книг монографии "Практическая стилистика современного русского языка" (в соавторстве с Вячеславом Мамоновым), "Литературное редактирование", "Трудные случаи пунктуации" (обе - с Константином Былинским). Авторству ученого принадлежит ряд словарей-справочников, учебных пособий (в том числе для школьников и иностранцев), научно-популярных книг о русском языке.
Дитмар Розенталь скончался 29 июля 1994 г. в Москве на 95-м году жизни. Похоронен на столичном Востряковском кладбище.