Дмитрий Ульянов родился  26 октября 1972 года в городе Москва. Детство будущего актера прошло в районе Патриарших прудов, где в то время жили его родители. Через некоторое время семья переехала на юг Москвы в район Орехово-Борисово. Родители были представителями советской интеллигенции. Отец работал авиационным инженером, мать преподавала математику в медицинском училище. Желание стать актером возникло у Дмитрия в раннем возрасте, когда он принимал участие в школьной постановке басни Крылова «Стрекоза и муравей».

Первая попытка поступления в Щукинское училище была провалена. И весь следующий год Дмитрий берет платные уроки в колледже искусств и готовит вступительную программу. Эти усилия увенчались успехом, спустя год будущий актер поступил в школу-студию МХАТ на курс к Авангарду Николаевичу Леонтьеву. На третьем курсе Ульянов нарушил строгий запрет на съемки, существовавший в учебном заведении. После участия в телепрограмме «Будильник» Дмитрий был отчислен.

Актер сумел перейти в Щукинское училище, его руководителем стал Евгений Владимирович Князев. После окончания учебы, в 1998 году, Дмитрий получил приглашение в труппу театра имени Вахтангова, где за годы работы сыграл роли в спектаклях «Отелло», «Король-олень», «Принцесса Турандот» и многих других. Однажды Дмитрий принял решение уйти со сцены.

Первый серьезный проект актера состоялся у режиссера Кирилла Серебренникова. Первая роль Дмитрия, сыгравшего Чеченца в сериале «Ростов-папа», была положительной. Но после этого начали поступать предложения играть исключительно отрицательных персонажей.  

Новым этапом карьеры актера стало участие в картине Владимира Хотиненко «72 метра», где Дмитрий сыграл роль капитан-лейтенанта Ивана Муравьева, человека положительного и мужественного. Фильм «Доярка из Хацапетовки 2» стал одной из основных работ актера, где он исполнил одну из главных ролей. В 2012 году на экраны вышла приключенческая драма «Остров ненужных людей» с участием актера в главной роли. Затем последовали съемки в сериале «Зверобой», в 2016 году принял участие в фильмах «Сводные сестры» и «Мачеха».