Димитър Димов е роден на 25 юни 1909 г. в град Ловеч, а детството му минава в бащината къща в Дупница.

Майката на Димов – Веса Харизанова е дъщеря на Спас Харизанов – преселник от село Влахи, Кресненско и съпругата му Фикия, родени в средата на 19 век. Дядото завършва право в Русия, след което работи като адвокат в Дупница. Сестрата на Спас Харизанов – Милка е майка на Яне Сандански. Цял живот Димов събира материали за книгата, която иска да напише за своя именит родственик, но така и не успява да реализира проекта си. Единият от синовете на Спас Харизанов – Иван е известен журналист и политически деец с авторитет и влияние във времето между двете световни войни, съпруг е на поетесата Екатерина Ненчева. Той оказва влияние върху културното развитие на племенника си Димитър. Веса Харизанова има само гимназиално образование, но цял живот проявява жив интерес към литературата и изкуствата. Години наред основна нейна цел е да превърне сина си в поет или художник, докато той демонстрира интерес преди всичко към естествените науки.

Бащата на Димитър – Тотю Димов Димов е родом от Габрово. Той завършва военно училище и се ползвал с авторитета на културен и възпитан човек. Загива като капитан на фронта на 9 юли 1913 г. в боевете при връх Китка в Македония, дни преди края на Междусъюзническата война. 

Според близките на Димов силното му влечение към уединение се е зародило още в ранното му детство. След смъртта на мъжа си Веса Харизанова трепери над Димитър, като дори не го пуска да играе на улицата или го придружава, когато излиза при връстниците си. Димов е тихо и затворено дете с богато въображение. Определян е като „чудак“ от съучениците му и храни нескрит интерес към книгите, физиката и химията. Наред с това той проявява и художествени дарби – често рисува карикатури на учителите си. Тази интровертност се запазва като забележима черта на характера му през целия му живот.

През 1928 г. Димов постъпва във Ветеринарномедицинския факултет на Софийския университет, но след един семестър по настояване на втория си баща Руси Генев се прехвърля в Юридическия факултет. После се отказва и отново се връща във Ветеринарномедицинския, като същевременно започва да учи и испански език. През това време Димов е силно ангажиран и когато завършва през 1934 г. като доктор по ветеринарна медицина той вече е започнал работата си по роман. Междувременно постъпва на работа в Софийския централен бактериологичен институт, по-късно е командирован като микробиолог в Областната ветеринарно-бактериологична станция в Бургас, а до 1939 г. е участъков ветеринарен лекар в село Ваксево, Кюстендилска област и в Кнежа. От 1939 г. е асистент по анатомия във Ветеринарномедицинския факултет на Софийски университет. През януари 1943 г. заминава на специализация по хистология на нервната система в Мадридския институт „Рамон-и-Кахал“. През март 1944 г. се връща в България и е мобилизиран в Беломорието до септември 1944 г. От 1946 г. е доцент в Агрономическия факултет в Пловдив, а в периода 1949 – 1952 г. е доцент в Селскостопанската академия в София. От 1953 г. е професор по анатомия, ембриология и хистология на гръбначните животни.

Първата съпруга на Димов – Нели Доспевска (1915 – 1988) е пряка потомка на големите възрожденски художници Станислав Доспевски и Захарий Зограф. На 8 септември 1944 г., след като се е върнал от специализацията в Испания, Димов предлага на Нели да се срещнат пред черквата в Дупница, където ѝ прави изненадващо предложение за брак, което тя приема с чувство за хумор. Дъщеря им Сибила се ражда през 1947 г. Израства на улицата, която днес се нарича „Димитър Димов“, в красива двуетажна къща с огромен двор. Махалата е провинциално тиха и спокойна, наоколо къщите се редуват с царевични ниви. У тях най-често идват писателят Божидар Божилов и художникът Васил Поприров. Димов иска да му готвят телешко печено и пие само бяло вино. Но затова е запален пушач и пие много кафе. Разводът на родителите на Сибила не ѝ се отразява невъзвратимо, защото Димов отдавна живее сам в апартаментчето на ул. „Кръстю Сарафов“, а и запазва абсолютно нормални отношения с Доспевска.

Вторият брак на Димитър Димов е с Лена Левчева, млада актриса във варненския театър. Лена участва на кастинг за ролята на Ирина във филма „Тютюн“, но тя е дадена на Невена Коканова. Остава ѝ все пак утешителна печалба – брак с автора на романа, който обаче е кратък. Лена Левчева прописва поезия и днес нейни текстове се превръщат в поетични спектакли.

Третата съпруга на Димитър Димов е с 22 години по-младата Лиляна Бушева, тогава преподавателка по пиано в хореографското училище. Дъщеря им Теодора е родена през 1960 г. и е на 5 години, когато умира баща ѝ.

Димитър Димов умира на 1 април 1966 г. на летището в Букурещ след среща на писателските съюзи на България и Румъния, където той получава масивен инсулт.