Принадлежал к ветви «Николаевичей» рода Романовых, куда входили известные военные деятели, такие как генерал-фельдмаршал, главнокомандующий Дунайской армией во время Русско-турецкой войны 1877–1878 годов великий князь Николай Николаевич (старший) и его сын — генерал от кавалерии, верховный главнокомандующий в начале Первой мировой войны великий князь Николай Николаевич (младший).
По рассказам Димитрия Романова, его родители избежали участи царской семьи чудом: когда семью Николая II увезли в Екатеринбург, его отца и мать держали в Крыму под домашним арестом. Однако, когда с царской семьей было покончено, им неожиданно дали разрешение на свободное передвижение. Взяв самое необходимое, Прасковья и Роман Романовы эмигрировали на юг Франции.
Димитрий Романов родился 17 мая 1926 года в городе Антиб, на юге Франции. Младший сын князя Романа Петровича и княгини Прасковьи Дмитриевны, урожденной графини Шереметевой. В связи с рождением сына поздравительную телеграмму на имя родителей Димитрия Романовича из Дании во Францию отправила вдовствующая императрица Мария Федоровна.
Димитрий Романович на коленях у матери
Димитрий вместе со старшим братом получил частное домашнее образование. Воспитывался всецело в русском духе под руководством бабушки великой княгини Милицы Николаевны. Преподавателями Димитрия Романовича являлись выпускники Смольного института Петербурга. С детства говорил на русском и французском языках. Каждое воскресенье семья посещала уютный домашний храм, где юный Димитрий Романович прислуживал в алтаре.
После победы социалистов на парламентский выборах в 1936 году вместе с родителями переехал в Италию, где королевой была Елена Савойская, родная сестра великой княгини Милицы Николаевны, приходившаяся соответственно его отцу родной тетей. Непродолжительное время семья жила в Квиринальском дворце в Риме - официальной резиденции итальянского короля. Обучался в частной итальянской школе, где Димитрию Романовичу преподавали латынь и классический греческий язык. Когда Италия в 1943 году вышла из войны и Германия оккупировала Рим, Димитрий Романович с семьей в течение девяти месяцев скрывался от немцев, меняя квартиры и адреса, поскольку нацисты объявили охоту на всех родственников итальянского короля. Незадолго перед проведением в Италии референдума о будущем устройстве страны вслед за бывшим королем Виктором Эммануилом III и королевой Еленой покинул Италию и вместе с родителями перебрался в Египет.
В мае 1946 года на итальянском судне «Обруцци» прибыл из Неаполя в Каир. Первоначально семья предполагала остановиться в Египте на два месяца, а затем вернуться в Европу, однако вынужденное изгнание продолжалось до 1952 года. Вскоре после приезда в Египет в возрасте 19 лет Димитрий Романович с согласия родителей начал работать простым механиком на ремонтном заводе Форда в Александрии. Большим событием для него стало получение свидетельства механика. После трехмесячного обучения Димитрий Романович самостоятельно собрал двигатель машины с нуля, подключил системы топлива и охлаждения на специальном стенде и завел мотор. Специальный мастер-сборщик проверил работу мотора и остался доволен молодым механиком. На заводе Димитрий Романович проработал три года, а затем устроился менеджером по продаже автомобилей.
В 1952 году, после свержения короля Фарука I и начала гонений на европейцев, Димитрий Романович уехал из Египта и вернулся в Италию, где сначала работал в бюро путешествий, а затем в судоходной компании «Fratelli d Amico». Хороший опыт автомеханика и знание языков позволило князю сделать неплохую карьеру. Через два года он стал личным секретарем и помощником владельца компании. В 1958 году Димитрий Романович с друзьями отправился на машине в поездку по Скандинавии. В Хельсингере он познакомился с молодой девушкой по имени Йоханна фон Кауффман. В 1959 году молодые люди поженились, поселившись в пригороде Копенгагена.
После женитьбы князь переехал в Данию, выучил датский язык и поступил на работу в датский коммерческий банк Den Danske Bank. Хорошее знание языков, умение общаться с людьми и деловые качества способствовали его быстрому продвижению по службе. В 1975 году он стал помощником вице-президента банка. В 1979 году по предложению королевы Маргрете II Димитрий Романович принял датское подданство, до этого являясь лицом без гражданства. В 1989 году Княгиня Йоханна умерла от рака, Димитрий очень долго не мог смириться со случившемся. Через несколько лет, во время одного из приемов Димитрий познакомился с графиней Доррит Ревентлов, с которой обвенчался 28 июля 1993 года в Спасо-Преображенском соборе Ипатьевского монастыря в Костроме. Перед венчанием княгиня Доррит приняла православие с именем Феодора Алексеевна.
В свое время отец Димитрия, князь Роман Романов, подготовил почву для создания Объединения членов рода Романовых — организации, объединившей большинство представителей рода. Разбирая бумаги отца, умершего в 1978 году, брат Димитрия Романова Николай связался с родственниками, с которыми поддерживал контакты отец, и предложил им вступить в объединение. Организация была зарегистрирована в 1979 году. Димитрий стал ее главой после смерти брата в 2014 году.
С 1993 года, после выхода на пенсию, Димитрий Романов все свое время посвятил гуманитарной работе в России и странах СНГ.
Встретившись в Париже в июне 1992 года, семь князей Романовых решили создать благотворительный фонд с целью оказания помощи России. Фонд был создан в 1994 году и зарегистрирован в Лондоне. Согласно общему решению, «Фонд Романовых для России» возглавил Димитрий Романович. В июле 1992 года он впервые посетил Россию, побывав в Санкт-Петербурге и Москве. В первые годы деятельности фонд в меру своих возможностей оказывал помощь в решении проблем и трудностей различного характера, связанных со спадом крушением российской экономики и критическим состоянием системы социального обеспечения. В период с 1993 года по 1995 год Димитрий Романович пять раз выезжал в Россию с гуманитарными акциями Фонда Романовых.
По мере улучшения экономических и социальных условий в России, Димитрий Романович счел возможным расширить географические рамки деятельности фонда на более отдаленные регионы России и страны СНГ, включая страны Центральной Азии. Фонд оказывал благотворительную помощь и поддержку нуждающимся в области медицины, образования и социального обеспечения, содействовал проектам в области культуры, искусства и просвещения, помогал больницам для слабослышащих детей, школам-интернатам и домам престарелых. В период с 1995 года по 2016 год фондом было проведено более 50 гуманитарных акций на территории не только России, но и на Украине, в Казахстане, Узбекистане, Азербайджане. В апреле 2006 года Димитрием Романовичем в Москве был создан новый фонд названный «Благотворительный фонд князя Димитрия Романова», который стал специализироваться по гуманитарным проектам в регионах России.
В июне 2011 года тогдашним президентом Российской Федерации Д. А. Медведевым Димитрий Романович был награжден «Орденом Дружбы» за «большие достижения в укреплении дружбы и культурного сотрудничества между Россией и Королевством Дании и за его достижения в качестве председателя Фонда Романовых для России». Церемония награждения прошла в Москве.
В мае 2016 года Димитрий Романович был награжден почетной грамотой правительства РФ «за большой вклад в распространение за рубежом знаний об историческом и культурном наследии России, содействие укреплению международных гуманитарных связей». В августе 2016 года указом президента Российской Федерации В. В. Путиным был удостоен «Ордена Александра Невского». Торжественная церемония вручения награды прошла 6 октября 2016 года в здании правительства РФ в присутствии Димитрия Романовича, его супруги и председателя правительства РФ Д. А. Медведева.
В октябре 2016 года в Троице-Сергиевой лавре Димитрий Романович имел встречу со Святейшим Патриархом Московским и всея Руси Кириллом. В ходе беседы с Димитрием Романовичем Патриарх заявил: «Благодарю Вас за Вашу любовь к нашей общей Родине, за сохранение замечательных традиций Дома Романовых, за Ваше участие в доставке останков и Марии Федоровны, и Николая Николаевича. Вашими трудами соединяется история. В этом уникальность Вашей личности и вообще уникальность Дома Романовых. Живущие люди соединяют в своей семейной традиции части нашей национальной истории, разорванной трагическими событиями начала XX века».
Димитрий Романович был известен также как меценат. В дар Эрмитажу он передал саблю своего прадеда великого князя Николая Николаевича (старшего), а также боевое знамя, водруженное на Шипке.. В июле 2004 года передал Новодевичьему монастырю Санкт-Петербурга фамильную икону Спасителя, когда-то принадлежавшую великой княгине Милице Николаевне. В июле 2005 года передал в дар восстанавливаемому храму Светлого Христова Воскресения на реке Смоленке в Санкт-Петербурге икону Спасителя - эта икона XIX века хранилась в семье Романовых и передавалась из поколения в поколение. В июле 2009 года князь передал восстанавливавшемуся Феодоровскому собору Санкт-Петербурга фамильную икону святителей Митрофана и Тихона Воронежских: этим образом XIX века, по словам Димитрия Романовича, в 1944 году в Риме его благословил духовный наставник - иеромонах Зосима. Димитрий Романович входил в число попечителей Феодоровского собора, а также в попечительский совет благотворительного фонда Спасо-Преображенского всей гвардии собора в Северной столице.
Являлся активным популяризатором истории рода Романовых. Выступал в средствах массовой информации и документальных фильмах с интервью о семье Романовых, в том числе в датском документальном фильме «En Kongelig familie»(«Царская семья») в 2007, на телеканале France 3 в фильме «Un nom en héritage, les Romanov», в 2008 на телеканале НТВ в фильме «Призраки дома Романовых», а также в 2014 году в документальном фильме производства ZDF «Королевские династии: Романовы» и в 2015 году в документальном фильме «Корона Российской Империи» производства Россия-24.