Дмитрий Кантемир родился в городе Галац, в семье выходцев из Силиштень, в регионе Фэлчу (сегодня – уезд Васлуй).

Отец, Константин Кантемир, был наёмником и сражался в войнах в Польше (где прослужил 17 лет); отсюда он отправился в Валахию, во времена Григория Гики, где получил должность тылового воеводы. Не обладая ни богатством, ни образованием (он даже не умел расписываться, хотя и знал несколько языков), Константин Кантемир, тем не менее, стал правителем Молдовы (1685–1693) благодаря политической и социальной ситуации того времени.

Мама, Ана Бантыш, образованная женщина, была третьей женой Константина Кантемира. Прожив с ним несколько лет, она умерла в 1677 году, оставив сиротами малолетних Антиоха и Дмитрия.

Заметив склонности младшего сына, Константин Кантемир привёл из Валахии греческого учёного с Крита, иеромонаха Иеремию Какавела, которому доверил воспитание своих детей. Таким образом, будущий учёный Дмитрий с раннего детства совершенствовался в литературе, философии, риторике, логике латинском и греческом языках.

Дмитрий Кантемир заменил Антиоха, своего брата, в Константинополе, будучи одновременно учеником и заложником, гарантируя тем самым лояльность отца Порте.

Здесь интересы молодого молдаванина охватывали самые разные области и широкий спектр проблем. Он поддерживал контакты с высшими иерархами христианского Востока и иностранными дипломатами, аккредитованными Портой.

В Академии Православной Патриархии в Фанаре с турецкими и европейскими преподавателями выучил турецкий, арабский, персидский, французский и итальянский языки, изучал теологию, философию, этику, логику, историю, географию и музыку.

Константин Кантемир умирает; 19 марта бояре выбирают преемником Дмитрия Кантемира, но вмешательство Константина Брынковяну в дела Порты вынуждает османскую власть назначить Константина Дука правителем Молдавии. После неофициального правления, менее месяца (март-апрель), Дмитрия Кантемира отправляют в Стамбул 13 апреля.

Дмитрий Кантемир женится в Яссах на Касандре, дочери Шербана Кантакузино (брак был запланирован более десяти лет). Таким образом, Дмитрий становится возможным наследником валашского престола и соперником Константина-Водэ Брынковяну, соперничество с которым продлится до его смерти (1714).

Дмитрий Кантемир продолжает посещать дипломатические круги Константинополя. Он поддерживает тесные интеллектуальные связи с греческими и турецкими учёными. Он ценится императорским двором и высшим светом османской столицы, где его называют Богдан Пренси («Молдавский князь») или Ктицтик Кантемироглу («Младший сын Кантемира»). Дмитрий Кантемир собрал богатую коллекцию восточных рукописей, древностей и западных научных книг в своем дворце в Ортакёе, изучая их для своих будущих работ об истории румын или исламской религии, культуре и цивилизации, а также проводил археологические раскопки на руинах дворца византийского императора Иоанна VI Кантакузино в Силиври, пополняя свою коллекцию обнаруженными экспонатами.

Рождаются первые дети: Мария (29 апреля 1700, Яссы - ум. Москва, 9 сентября 1757); Смарагда (14 апреля 1701, Стамбул — ум. Москва, 1720); Матей (18 октября 1703, Стамбул — ум. Москва, 30 ноября 1771).

На основе разработанной им новой системы нотной записи, Кантемир составил трактат о турецкой музыке (посвятив его султану Ахмеду III), с которым вошёл в число классиков этой музыкальной традиции: Тарифу илми мусики ала вегни максус (Краткое объяснение теоретической музыки).

Родился четвертый ребенок, Константин (Стамбул - ум. 19 января 1747, Санкт-Петербург). 11 августа. Родился пятый ребенок, Шербан (Стамбул - ум. 24 апреля 1780, Москва). 10 сентября. У Дмитрия родился последний ребенок от первого брака (в Стамбуле), Антиох (ум. 31 марта 1744, Париж), будущий поэт современной России и посол в Лондоне и Париже.

Порта объявляет войну России. Хан Девлет-Гирай II, после вмешательства Даула Исмаила-Эфенди, своего представителя в Константинополе и близкого друга Дмитрия Кантемира, предлагает назначить Дмитрия Кантемира господарём Молдовы. Это предложение было принято Диваном 23 ноября 1710 года.

Дмитрий Кантемир прибывает в Яссы и во второй раз возводится на престол Молдовы. Среди значимых документов его короткого правления: создание княжеского совета из бояр, верных его семье, и молодых бояр, исключив скомпрометировавших себя чиновников из рода Русетешть; освобождение бояр от уплаты десятины; сокращение на четверть «флажного налога» (при смене правителя) и наполовину налогов, взимаемых с мазилов (мелких и средних бояр, оставшихся без службы); получение от Хрисанта Нотара, патриарха Иерусалимского, отказа от трёх освящённых монастырей (Бистрица, Пробота и Тазлэу); утверждение наследственного права рода Кантемир на молдавский престол и законность притязаний на валашский престол, разместив на своей печати, наряду с молдавским туром, изображения валашского орла крестоносца. Во внешней политике он выступает за сближение с Россией, союз, необходимый для освобождения от османского владычества.

Дмитрий-Водэ добился в Луцке (Польша) грамоты от царя Петра I о статусе Молдовы в связи с переходом её под покровительство России. Согласно этой грамоте власть в Молдове сохраняется по наследству за родом Дмитрия Кантемира; господарь будет обладать «законом и судом» и «властью в Молдове»; знатные бояре и все жители страны будут обязаны подчиняться господарю; старые границы страны между Карпатами, Польшей, Днестром, Чёрным морем и Валахией гарантируются; русская армия обеспечит оборону молдавской территории от турок; если Османская империя продолжит править Молдовой, Кантемир сможет найти убежище в России, где он и его потомки будут пользоваться гостеприимством царя, а вместо конфискованных Константинополем дворцов получат другие, равноценные, в Москве.

В своем воззвании к стране Дмитрий Кантемир призывает всех жителей сражаться на стороне армии царя Петра Великого, чтобы устранить османское господство.

Русские войска, под командованием фельдмаршала Шереметьева, спускаются с Днестра к Цуцоре и соединяются с молдавскими войсками.

В битве в Станилештах русско-молдавские союзники, подавленные многочисленными османскими войсками (около 146 000 человек, плюс татарская конница), были вынуждены согласиться на мир. Правление Кантемира продлилось всего полгода. В заключение книги История Османской империи, Кантемир рассказывает, как во время переговоров, последовавших за Станилештским сражением, турки потребовали у царя выдачи его, «мятежного молдавского господаря». Пётр I ответил: «Я мог бы отдать туркам всю страну до Курска, потому что ещё надеюсь вернуть её, но я никак не могу нарушить верность и выдать господаря, который оставил своё княжество во имя меня; ибо потерянной чести уже невозможно восстановить».

Дмитрий Кантемир отступает в Россию со всей своей семьёй, почти с 4000 молдавских беженцев и 24 верными большими боярами, включая Иона Некулче, будущего летописца. Дмитрий Кантемир остаётся здесь до самой смерти, пользуясь дружбой царя Петра I; получает со стороны царя немедленное признание своего положения и титул светлейшего князя Российского (1 августа 1711 года). Сначала обосновался в Харькове, где царь жалует ему поместья, обеспечивающее почётную жизнь.

Кантемиру предложили роскошную резиденцию в Москве, куда переехал из Харькова с семьёй. В последствии предстояло возглавить антиосманскую военную кампанию в Крыму, от которой царь отказался до окончания войны со Швецией, да и после неё. Князь Дмитрий понимал, что царь не решается начать борьбу за освобождение христианских народов от османского владычества, и обратился к своим научным и литературным исследованиям.

Госпожа Кассандра, жена Кантемира, умирает в Москве в возрасте всего 30 лет (говорят, врачи лечили её неправильно). Она была похоронена в церкви Святых Константина и Елены, основанной семьёй Кантемир на территории греческого Никольского монастыря в Москве. Бояре, сопровождавшие Дмитрия-Водэ в России, с одобрения царя, возвращаются в Молдову, получив прощение от Порты за поддержку русских.

Кантемира избирают членом Берлинской академии, высшего научного общества, основанного Лейбницем и находящегося под покровительством короля Пруссии. С высоты этой трибуны Кантемир обращался к учёному миру своего времени, рассказывая о своей родине и прошлом своей нации, в то время как Запад слишком мало знал об этой части Европы; взял на себя обязательство ознакомить мир со своей страной Описанием Молдовы и Молдавско-валахской истории, труды, написанные на латыни, научном языке той эпохи.

Заканчивает Descriptio Moldaviae (Описание Молдовы), труд, включающий, помимо физической географии страны, и сведения о системе правления, государственном устройстве, общественной жизни, культуре, религии, школе, обычаях и т. д. Книга содержит страницы непревзойденной красоты, посвящённые молдавским землям. Она была переведена на немецкий язык (Гамбург, 1769, 1770; Франкфурт-на-Майне и Лейпциг, 1771) и на русский язык (1789). На румынском языке (под заглавием Письмо Молдовы, пер. бана Василе Вырнав) появился в 1825 году в монастыре Нямц (переиздан в Яссах Костаке Негруцци в 1851 году, а также в Яссах в 1868 году Теодором Болдур-Лэцеску).

Благодаря женитьбе на Анастасии, дочери князя и генерала Ивана Трубецкого, Кантемир стал частью русской аристократии.

Рождилась Смарагда-Екатерина (ум. 1761, Париж), единственный ребенок от второго брака.

Кантемир становится тайным советником царя и членом Сената. Принимает французский костюм; в этот период участвует в управлении государством и общественной жизни; его подпись стоит под многими документами, закрепляющими социальные, административные и военные реформы, начатые Петром Великим; таким образом, царь делает Кантемира соучастником в подготовке и воплощении в жизнь важных решений, направленных на модернизацию России.

Кантемир предпринимает научную экспедицию в Кавказские горы, в район Дербента.

Царь Петр I решает прервать поход на Кавказ, чтобы продолжить его в следующем году.

Корабль с Кантемиром терпит крушение в Каспийском море, и часть багажа, включая древности и рукописи Дмитрия Кантемира, теряется. Князь возвращается в Россию, в своё имение Дмитриевка, измученный и больной..

Скончался от диабета после продолжительной болезни в имении Дмитриевка. Похоронен в Москве, в основанной им церкви «Святых Константина и Елены», где покоятся останки некоторых членов его семьи. Осенью 1935 года останки Дмитрия Кантемира были перевезены в страну и перезахоронены в церкви «Трех Святителей» в Яссах.