Дмитрий Павлов родился 26 июля 1938 года в городе Москва. В 1960 году он окончил МГУ, в 1966 году стал кандидатом, а в 1977 году - доктором биологических наук, в 1984 году получил звание профессора.В декабре 1987 года Дмитрий Сергеевич стал членом-корреспондентом Академии наук СССР, в 1992 году - действительным членом и академиком Российской академии наук. С 1999 года он является заслуженным профессором МГУ.
Основная область научных исследований Дмитрия Павлова - экология рыб, экологические аспекты их поведения и миграций, охрана биоресурсов водоемов. Он разработал экологическую концепцию ориентации и локомоции рыб в потоке, выявив основные стереотипы их реакций в потоке воды и миграционного поведения.
Под его руководством велась работа над стратегией охраны водных биологических ресурсов и созданием теории управления массовыми перемещениями рыб с целью сохранения их естественного воспроизводства при гидротехническом строительстве.
Лауреат Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий 2012 года - Дмитрий Сергеевич награжден премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники, орденами Дружбы народов и «Знак Почёта», медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени.
В настоящий момент Дмитрий Павлов возглавляет Институт проблем экологии и эволюции, является главным редактором журнала «Биология внутренних вод», заведует кафедрой ихтиологии на биологическом факультете МГУ.