Родился в Москве 11 января (по н.с.) 1908 года. С детства увлекался самолето- и ракетостроением, самостоятельно овладел основами дифференциального и интегрального исчисления, вел переписку с К.Э. Циолковским. Впоследствии Дмитрий Иванович вспоминал: «Переписка с К.Э. Циолковским дала мне не только толчок к дальнейшему увлечению идеей космического полета, но и приобщила меня к его мировоззрению, в основе которого лежало преклонение перед красотой Вселенной и ее гармонией».
В 1930 г. Дмитрий Иванович окончил Московский университет. Преподавал там же (с 1936 г. – профессор, затем зав. кафедрой теоретической ядерной физики). В 1935-47 гг. работал также и в Физическом институте АН СССР. В 1947-50 гг. – директор научно-исследовательской лаборатории в г. Обнинске, на базе которой под его руководством был создан Физико-энергетический институт, в 1950-56 гг. – его директор. В 1956-65 гг. – директор Объединенного института ядерных исследований – ОИЯИ (г. Дубна), с 1965 г. – лаборатории теоретической физики в ОИЯИ.
Д.И. Блохинцев внес значительный вклад в развитие целого ряда отраслей физики, а именно: теории твердого тела (объяснил фосфоресценцию твердых тел на основе квантовой теории), физики полупроводников (исследовал и объяснил эффект выпрямления электрического тока на границе двух полупроводников), оптики (разработал теорию эффекта Штарка в сильном переменном поле), акустики (построил теорию звуковых явлений в движущихся и неоднородных средах, получив уравнения акустики самого общего вида). Д.И. Блохинцев работал в области квантовой механики и квантовой электроники, ядерной физики (участвовал в разработке атомного оружия), теории ядерных реакторов (разработал эффективные методы расчета реакторов на медленных, промежуточных и тепловых нейтронах; совместно с А.И. Лейпунским руководил проектом по созданию первого в Европе реактора на быстрых нейтронах с жидко-металлическим теплоносителем; создал импульсные быстрые реакторы), квантовой теории поля и физики элементарных частиц (выдвинул идеи относительно флуктуаций плотности ядерного вещества и квантовых стохастических пространств, а также теории существования нескольких вакуумов и спонтанного перехода между ними, указал на существование так называемого унитарного предела). В последние годы жизни много времени посвящал философским и методологическим вопросам физики (в частности, осмыслению понятий пространства и времени в микромире).
Дмитрий Иванович обладал редкой научной интуицией. Еще в 1938 г., за 17 лет до получения Уиллисом Лэмбом Нобелевской премии за экспериментальное обнаружение сдвига уровней энергии в атоме водорода, Блохинцев предсказал это явление. В 1960 г. Блохинцев отмечал необходимость нового, более тонкого понятия о формах материи внутри самих элементарных частиц (а сегодня известно, что тремя годами позднее появилось понятие кварков, а затем глюонов).
Трудно переоценить вклад Д.И. Блохинцева в организацию отечественной науки. На базе научно-исследовательской лаборатории в Обнинске, директором которой с 1947 г. он являлся, Блохинцев создал Физико-энергетический институт, где под его руководством была спроектирована и построена первая атомная электростанция, вступившая в строй в 1954 г. Но будучи физиком-теоретиком не только по должности, а и по призванию, Блохинцев в 1956 году оставил свое детище в Обнинске и стал директором создающегося в Дубне Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Традиции, заложенные им, живы и поныне, его заслугой стало не только привлечение в Дубну выдающихся ученых, основателей нынешних лабораторий, но и создание современной учебной базы, филиала НИИЯФ МГУ, который стал основной Учебно-научного центра ОИЯИ.
Выпускник физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, преподаватель, а позднее профессор МГУ, Блохинцев в течение всей жизни сохранил тесные связи со своей Alma Mater. Вместе с Курчатовым, Петровским, Скобельцыным, Верновым Блохинцев стал создателем Отделения ядерной физики на физфаке МГУ. Ученики Блохинцева вспоминают его как блестящего педагога. Его учебник «Основы квантовой механики» по сей день не потерял своей популярности среди студентов.
По свидетельствам людей, близко знавших Дмитрия Ивановича, неотъемлемой частью его жизни являлась живопись. Она была для него не только отдыхом, но и выражением его мыслей и идей. Известны созданные им портреты Луи де Бройля, Р. Оппенгеймера и других физиков.
Д.И. Блохинцев – Герой Социалистического Труда (1956). Лауреат Ленинской (1957) и Государственной премии СССР (1952, 1971). Чл.-корр. АН СССР (1958) и АН Украины (1939). Член ряда академий наук и научных обществ. В 1966-69 гг. – президент Международного союза чистой и прикладной физики.
В доме жил в квартире № 204. Умер Дмитрий Иванович Блохинцев 27 января 1979 года.