Дмитрий Ульянов родился 26 октября 1972 года в Москве.
Детство прошло сначала на Большой Бронной, а затем на юге Москвы, в районе Орехово-Борисово. Чтобы не быть битым в уличных потасовках, Дмитрий занимался дзюдо, но спорт потом пришлось оставить из-за сильных головных болей.
В 1989 году окончил десять классов средней общеобразовательной школы, где учился, по словам самого актёра, «нормально, средне, не был двоечником и не был отличником».
Сразу после школы поступать в вуз не стал, один год работал библиотекарем в медицинском училище, где преподавала его мать. Год спустя попробовал поступить в Щукинское училище, но переоценил силы и засыпался на конкурсе. Проучился год в платном колледже искусств, после чего поступил на актёрский курс школы-студию МХАТ, где преподавал Авангард Леонтьев. Спустя два года его отчислили, так как, будучи студентом, он нарушил запрет на участие в съёмках (снялся в детской телепрограмме «Будильник»).
Покинув школу-студию МХАТ, Дмитрий перевёлся в Щукинское училище, которое окончил в 1998 году (актёрский курс Евгения Князева), получив специальность «актёр театра и кино». В том же году был принят в труппу Государственного академического театра имени Е. Б. Вахтангова, где прослужил до 2004 года. Наиболее известен по сериалу "Остров ненужных людей".
В 2015 году вернулся на театральную сцену, став актёром театра «LA’Театр» в Москве. Занят в антрепризных спектаклях режиссёра Вадима Дубровицкого «ЛюбOFF» (Милт Менвил) и «Вишнёвый сад» (Ермолай Лопахин).