Родился 22 ноября 1966 г. в Перми в семье врачей.
В 1990 г. окончил лечебный факультет Пермского медицинского института (ныне - Пермский государственный медицинский университет им. академика Е. А. Вагнера).
Еще в студенческие годы занялся бизнесом. Вместе с отцом, преподавателем этого же вуза, создал компанию "Магнетикс", занимавшуюся лечением сердечно-сосудистых заболеваний. Однако вскоре компания серьезно расширила сферу деятельности, занявшись, в частности, торговлей и бартерными сделками. В 1992 г., после окончания брокерских курсов в Москве, Дмитрий Рыболовлев основал инвестиционную фирму "Финансовый дом" и за два года приобрел на ваучерных аукционах крупный пакет акций компании "Уралкалий". Подконтрольные Рыболовлеву структуры также выступали в качестве торговых посредников для этой компании.
В 1996 г. предприниматель был арестован в Перми по обвинению в убийстве Евгения Пантелеймонова, генерального директора АО "Нефтехимик" (40% акций предприятия принадлежали фирмам Рыболовлева). В 1997 г. Пермский областной суд полностью оправдал Рыболовлева, посчитав, что бизнесмена оговорил непосредственный организатор убийства Олег Ломакин. Впоследствии вердикт в отношении предпринимателя был подтвержден Верховным судом РФ.
В 2000 г. Дмитрий Рыболовлев стал владельцем 63% акций "Уралкалия". До 2011 г. занимал пост председателя совета директоров компании. В 2010-2011 гг. продал весь свой пакет акций Сулейману Керимову, Филарету Гальчеву и Александру Несису за сумму, превышающую 6 млрд долларов США.
В декабре 2011 г. приобрел за символическую сумму в 1 евро футбольный клуб "Монако" с обязательством вложить в него не менее 100 млн евро, является его председателем. С 2011 г. по н. в. проживает в Монако.
В 2017 г. продал последний актив в России - здание Военторга в Москве на ул. Воздвиженка.
6 ноября 2018 г. задержан в Монако, на следующий день был отпущен на свободу с предъявлением обвинения в коррупции. Он проходит по делу о подкупе министра юстиции княжества Филиппа Нармино в 2017 г. По данным следствия, Рыболовлев с помощью подарков пытался направить в выгодное для себя русло тяжбу со швейцарским предпринимателем Ивом Бувье. Его россиянин обвинял в завышении цен на картины, из-за чего тот якобы потерял 1 млрд евро. Бувье со своей стороны заявил тогда же о "сговоре" Рыболовлева с юстицией Монако с тем, чтобы та быстро провела его задержание на территории страны и выдвинула против него обвинения.
Член попечительского совета Фонда поддержки олимпийцев России.
Дмитрий Рыболовлев входит в число миллиардеров по версии американского журнала Forbes. Впервые был включен в этот список в 2006 г., тогда состояние бизнесмена оценивалось в 1,6 млрд долларов. В рейтинге за 2018 г. занимал 242-е место в мире и 18-е - в России, с состоянием в 6,8 млрд долларов. Основной источник состояния - средства, вырученные после продажи "Уралкалия". Рыболовлев владеет крупной коллекцией живописи, стоимость которой оценивается в 2 млрд долларов. Кроме того, он инвестировал в недвижимость - в частности, в 2008 г. приобрел у будущего президента США Дональда Трампа виллу "Дом дружбы" в г. Палм-Бич (штат Флорида, США).
Разведен. Имеет двух дочерей - Екатерину (род. в 1989) и Анну (род. в 2001). Расторжение брака с супругой Еленой сопровождалось длительной судебной тяжбой по разделу имущества, завершившейся в 2015 г.