Родился 10 апреля 1971 г. в Горьком (ныне - Нижний Новгород) в семье военнослужащего.
В 1988 г. окончил Ленинградское суворовское военное училище, в 1995 г. - Военный университет Министерства обороны РФ, в 1996 г. - юридический факультет Рязанского государственного педагогического университета им. С. А. Есенина (ныне - Рязанский государственный университет им. С. А. Есенина). При поступлении в Рязанский университет предоставил документы об окончании в 1994 г. Петрозаводского госуниверситета. Однако впоследствии данная информация не подтвердилась.
Кандидат юридических наук (тема диссертации - "Правовой нигилизм и правовой идеализм: теоретико-правовое исследование"; Коломенский педагогический институт, 1999).
Доктор юридических наук (тема диссертации - "Теоретические и нормативные основы судебного контроля в механизме разделения властей"; работа выполнена на кафедре Юридического института Санкт-Петербурга, защита прошла в Российской правовой академии Минюста РФ, 2009).
По данным газеты "Коммерсант" со ссылкой на правоохранительные органы, в 1988 г. Вороненков поступил в Минское высшее военно-политическое общевойсковое училище. Учебу не окончил: спустя два года был призван на срочную службу, которую проходил в войсках связи в Бобуйске. Однако, согласно другим документам, в годы военной службы Вороненков одновременно работал в Минске барменом и официантом.
В 1992-1994 гг. - менеджер в минском товариществе с ограниченной ответственностью "Эпсон".
В 1995-1999 гг. служил в прокуратуре Рязанского военного гарнизона. По словам самого Вороненкова, он занимал должности следователя и помощника прокурора.
С 2000 г. - старший референт аппарата фракции "Единство" в Государственной думе РФ. По данным СМИ, в апреле 2001 г. Денис Вороненков был задержан при получении взятки в размере 10 тыс. долларов США от предпринимателя Евгения Тростенцова за лоббирование его интересов в Госдуме, однако в июле того же года дело было закрыто.
В 2001 г. был советником генерального директора судебного департамента при Верховном суде РФ.
В 2001-2006 гг. он работал в администрации г. Нарьян-Мар и Ненецкого автономного округа. Занимал должности заместителя мэра Нарьян-Мара, заместителя главы администрации округа по недропользованию, первого заместителя главы администрации Ненецкого автономного округа Алексея Баринова по работе с правительством РФ и Федеральным собранием РФ.
В 2004-2008 гг., по данным СМИ, являлся сотрудником Федеральной службы по контролю за оборотом наркотиков, имел звание майора. В 2007-2008 гг. - в службе безопасности ведомства. По словам заместителя председателя ЦК КПРФ Владимира Кашина, Вороненков имел звание полковника.
С 2006 г. - доцент, профессор, с февраля 2010 г. - заведующий кафедрой теории и истории государства и права Юридического института (Санкт-Петербург).
Был членом КПРФ, входил в центральный комитет партии. Исключен из КПРФ в 2016 г.
С 2011 по 2016 гг. - депутат Государственной думы РФ VI созыва. Был избран 4 декабря 2011 г. в составе федерального списка кандидатов, выдвинутого КПРФ (баллотировался под вторым номером в региональной группе №50, Нижегородская область). Входил во фракцию КПРФ, думский комитет по безопасности и противодействию коррупции.
В июне 2013 г. был выдвинут КПРФ на место аудитора Счетной палаты РФ по квоте Госдумы, однако избран не был.
7 декабря 2013 г. в столичном ресторане "Куршавель" на ул. Петровка между Денисом Вороненковым и бывшим сотрудником ФСБ Андреем Мурзиковым произошла драка. Подробности инцидента не сообщались. Позднее Мурзиков заявил, что был знаком с парламентарием, поскольку они вместе "проходили по уголовному делу", и обвинил Вороненкова в организации "рейдерских захватов". Позже стало известно о письме заочно осужденной в России предпринимательницы Анны Эткиной генпрокурору РФ, в котором она обвинила Вороненкова и Мурзикова в организации убийства ее супруга, партнера по бизнесу Андрея Бурлакова.
В 2014 г. Следственный комитет РФ (СК РФ) инициировал процедуру лишения Вороненкова парламентской неприкосновенности. По данным следствия, депутат был причастен к организации рейдерского захвата здания площадью 1500 кв. м. и стоимостью 127 млн руб. на Международной ул. в Москве, принадлежавшего бизнесмену Отару Кобахидзе. За поиск покупателя особняка - в шесть раз дешевле рыночной стоимости - депутат получил авансовое вознаграждение в размере 100 тыс. долларов США. 6 апреля 2015 г. Следственный комитет РФ направил в Генпрокуратуру документы о лишении депутата неприкосновенности и даче согласия на привлечение его в качестве обвиняемого. В марте 2016 г. генпрокурор Юрий Чайка отказался направлять в Госдуму ходатайство о лишении Вороненкова депутатского иммунитета из-за "недостаточности" оснований для обвинения.
18 сентября 2016 г. Денис Вороненков баллотировался в депутаты Госдумы РФ VII созыва от КПРФ по Нижегородскому одномандатному избирательному округу №129 (Нижегородская область). Занял третье место (13,99%), депутатом от округа был избран кандидат от "Единой России" Владимир Панов (42,39%).
В октябре 2016 г. Денис Вороненков вместе с супругой Марией Максаковой эмигрировал на Украину, где в декабре того же года получил украинское гражданство. Свой поступок объяснил тем, что в РФ он якобы подвергся преследованию со стороны органов безопасности. По словам Вороненкова, от российского гражданства он отказался. Однако в марте 2017 г. в российских правоохранительных органах опровергли эту информацию.
15 февраля 2017 г. Следственный комитет РФ вынес постановление о привлечении Вороненкова к ответственности по делу о рейдерском захвате по ч. 3 ст. 33 и ч. 1 ст. 170.1 Уголовного кодекса РФ ("Организация фальсификации единого государственного реестра юридических лиц") и ч. 4 ст. 159 УК РФ ("Мошенничество"). 15 февраля 2017 г. он был объявлен в федеральный, а 27 февраля 2017 г. - в международный розыск. 3 марта 2017 г. заочно арестован решением Басманного суда Москвы. 29 октября 2018 г. дело прекращено в связи со смертью подсудимого.
23 марта 2017 г. Денис Вороненков был убит в Киеве возле входа в отель "Премьер-палас". 25 марта похоронен на Зверинецком кладбище Киева.
Декларированный доход Вороненкова как депутата Госдумы РФ за 2015 г. составлял 4 млн 736 тыс. руб., супруги - 6 млн 775 тыс. руб.
Награжден медалью "За отличие в службе в органах наркоконтроля" III степени (2006), имел наградное оружие ФСКН (2008).
Автор более 90 публикаций, среди которых монографии "Судебная власть в Российской Федерации" (2007), "Правосудие и судебный контроль" (2011).
Был женат, имел троих детей. От первого брака с Юлией Александровной Вороненковой - дочь Ксения (род. 2000) и сын Николай. В марте 2015 г. женился на оперной певице, депутате Госдумы РФ VI созыва от "Единой России" Марии Максаковой-Игенбергс. 15 апреля 2016 г. у них родился сын Иван.