Родился 4 (16) августа 1874 года в Симбирске. Младший брат Владимира Ильича Ленина и Александра Ильича Ульянова.
В 1893 году окончил Самарскую мужскую гимназию и поступил на медицинский факультет Московского университета. Став студентом, он начал заниматься революционной деятельностью в нелегальных марксистских кружках московского «Рабочего союза». В ноябре 1897 года был арестован по делу «Союзного совета объединённых землячеств» и «Рабочего союза», затем исключён из университета и год просидел в тюрьме. Затем был выслан в Тулу и через месяц переехал в Подольск, где жил с 1898 года под гласным надзором полиции. Впоследствии до 1917 года он арестовывался неоднократно. В 1900 году стал корреспондентом «Искры», а в 1901 году окончил медицинский факультет Императорского Дерптского университета. В 1903—1914 годах совмещал революционную деятельность с работой врача. В 1903 году на революционной работе в Туле, делегат II съезда РСДРП, затем - агент ЦК РСДРП в Киеве. В годы Революции 1905—1907 годов работал врачом в Симбирске и был членом комитета РСДРП, потом - в Серпуховском уезде Московской губернии, затем — в Феодосии, в Крыму. В Первую мировую войну был мобилизован в армию, служил военным врачом в Севастополе, В Одессе, в сануправлении Румынского фронта, дослужился до чина капитана, вёл революционную работу. После Октябрьской революции вёл активную борьбу за советскую власть в Крыму. С декабря 1917 года — член Таврического комитета РСДРП(б). Во время борьбы за установление советской власти в январе 1918 года участвовал в боях под Бахчисараем и Симферополем. В том же году вошёл в состав губкома партии и редколлегии его газеты «Таврическая правда». Когда в Крым вторглись кайзеровские войска, переехал в Евпаторию, здесь был зампредседателя подпольного уездного ревкома. В апреле 1919 года вернулся в Симферополь, был избран членом обкома партии, назначен наркомом здравоохранения и социального обеспечения. 5 мая 1919 года избран председателем Совнаркома Крымской Советской Социалистической Республики. В 1920—1921 годах член Крымского обкома РКП(б) и Ревкома. С 1921 года Дмитрий Ульянов стал жить в Москве, где работал в Наркомздраве, Коммунистическом университете им. Я. М. Свердлова, Коммунистическом университете трудящихся Востока, в научном секторе поликлиники Сануправления Кремля, а также вёл работу в Центральном музее В. И. Ленина. В 1941—1942 годах жил в эвакуации на родине в Ульяновске, затем - в Москве. Делегат XVI и XVII съездов ВКП(б).
Умер 16 июля 1943 года в Горках от приступа стенокардии. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище.