Он родился в обычной московской семье, далёкой от актёрства: отец служил в Министерстве транспорта, мать работала бухгалтером в издательстве «Молодая гвардия». Сам Дима с детства увлекался спортом и перепробовал множество дисциплин — занимался плаванием, самбо, футболом, спортивной гимнастикой, боксом. Но и к творчеству мальчик был неравнодушен: любил танцевать брейк-данс и посещал театральную студию, где уже в свои юные годы добился больших успехов.
В старших классах Марьянов из обычной школы перевёлся в театральную при Московском молодёжном театре «На Красной Пресне». Именно здесь талантливого юношу заметили ассистенты режиссёра и пригласили сняться в эпизоде молодёжной драмы «Была не была». А уже совсем скоро юного актёра ждала и первая главная роль: в музыкальном фильме «Выше Радуги» он сыграл мечтательного школьника Алика Радугу и сразу завоевал любовь миллионов зрителей.
Несмотря на успешный дебют в кино и мгновенно приобретённую популярность, после школы Дмитрий Марьянов отправился в армию. Службу он проходил в Тверской области в качестве дешифровщика «чёрных ящиков», а когда вернулся, успешно поступил в Щукинское театральное училище. Получив диплом, Марьянов был зачислен в труппу «Ленкома», где был задействован во многих ведущих постановках.
В студенческие годы карьера молодого актёра в кино набирала обороты. Он сыграл десятиклассника Пашу в молодёжной драме Эльдара Рязанова «Дорогая Елена Сергеевна», предстал в образе студента-ловеласа в мелодраме Валерия Тодоровского «Любовь» и прочно закрепил за собой статус звезды нового поколения. Впоследствии фильмографию актёра пополнили картины «Графиня де Монсоро», «Змеиный источник», «Президент и его внучка», «Боец», «День Радио», а новую волну популярности ему принесла роль следователя по особо важным делам в детективном телесериале «Личная жизнь следователя Савельева». Последняя лента с участием актёра вышла на экраны в 2018 году: в военной драме «Операция «Мухаббат» Марьянов сыграл Горбачёва.
В жизни Дмитрия Марьянова было несколько любимых женщин, но лишь с одной из них актёр решился узаконить отношения. Ещё в студенчестве Марьянов жил в гражданском браке с однокурсницей Татьяной Скороходовой, но спустя два года так и не повёл девушку под венец. Вскоре после расставания с Татьяной у актёра завязался роман с моделью Ольгой Аносовой, но даже рождение сына Даниила не убедило Марьянова сделать возлюбленной предложение. Спустя два года после рождения мальчика пара распалась. Когда Дмитрия пригласили поучаствовать в шоу «Ледниковый период», его партнёршей стала известная фигуристка Ирина Лобачёва, которая как раз переживала расставание с Ильёй Авербухом. За время участия в проекте отношения Ирины и Дмитрия вышли далеко за пределы катка. Паре прочили скорую свадьбу, но и в этот раз дело до ЗАГСа так и не дошло.
Однажды Дмитрий Марьянов появился на дне рождения Гоши Куценко с новой спутницей, которую представил как свою невесту. Ксения Бик — по образованию психолог, а по профессии парикмахер — была на семнадцать лет младше возлюбленного, но именно ей после трёх лет совместной жизни удалось наконец женить на себе популярного актёра. Пара стала выходить в свет с девочкой Анфисой: поначалу все думали, что это дочь Ксении от первого брака, но спустя несколько лет выяснилось, что отцом малышки является сам Марьянов. Дмитрий души не чаял в жене и дочери, постоянно брал семью с собой на кинофестивали и премьерные показы.
Дмитрий Марьянов был ярым поклонником экстрима. В свободное время актёр обожал гонять на мотоцикле, погружался под лёд на Байкале, занимался верховой ездой, катался на роликах и скейтборде. Однако такому активному образу жизни мешали проблемы со здоровьем: Марьянов страдал от тромбоза и был вынужден принимать специальные препараты, разжижающие кровь. Усугубляло ситуацию пристрастие к алкоголю: актёр уже не мог самостоятельно справиться с зависимостью, так что близким пришлось отправить его в один из подмосковных реабилитационных центров. 15 октября 2017 года Дмитрию Марьянову стало плохо: он пожаловался персоналу на боль в ноге и спине, но сотрудники центра проигнорировали жалобы актёра. Скорая помощь к нему так и не приехала: Марьянов скончался в возрасте 47 лет по причине оторвавшегося тромба.