Димов е роден на 25 юни 1909 г. в град Ловеч. Той е белетрист и драматург, ветеринарен лекар, професор по анатомия на гръбначните животни. Изследва в художествено-психологичен план отчуждението и упадъка на личността – „Поручик Бенц”, „Осъдени души”, „Тютюн”. Писателят се увлича по идеите на 3игмунд Фройд, Фридрих Ницше, Анри Бергсон и творчеството на Октав Мирбо.
Димов прекарва известно време като специализант в Испания. Тогава се засилва интересът му към католицизма, превърнат в една от повествователните нишки в романа „Осъдени души”. Започнат в Испания и завършен след мобилизацията в Беломорието, той е издаден през 1945 г., получава държавна награда. Преведен е на сърбохърватски и унгарски език и е екранизиран.
Най-известното му произведение – романът „Тютюн”, е отпечатан в първоначалния си вариант през 1951 г. Под натиска на догматични критици творбата е преработена, като към нея са прибавени 250 стр. и нови персонажи, свързани с работническата класа. В новия вариант се появява на българския книжен пазар през 1954 г. Романът е екранизиран през 1961. До 1962 година е преведен на 10 езика (китайски, латвийски, немски, полски, румънски, руски, словашки, украински, унгарски и чешки), а части от него са преведени на английски, арабски, есперанто, испански, итиалиански и френски.
Димов е председател е на Съюза на българските писатели от 21 март 1964 до смъртта си. Той е автор на над 20 научноизследователски труда, а след 1966 г. в архива му са открити нови планове и ръкописи за 2 книги върху теорията на отражението.
Димитър Димов умира през 1966 г.в Букурещ. Негова дъщеря е писателката Теодора Димова.