Дмитрий Ярошенко родился 4 ноября 1976 года в городе Макаров, Сахалинская область. В 2004 году Дмитрий стал серебряным призером чемпионата Европы, в 2005 году - чемпионом Европы в мужской эстафете и серебряным призером в индивидуальной гонке; в 2004 году - дважды третий на Гран-при в Ханты-Мансийске, в 2006 году стал обладателем Кубка Европы.

За всю спортивную карьеру чемпионом России Дмитрий становился более 20 раз. В 2007 году - абсолютным чемпионом - в эстафете, спринте и гонке преследования. Первый победитель Мемориала Фатьянова в 2006 году. После Олимпиады 2006 в связи с уходом некоторых ведущих биатлонистов Дмитрий начал регулярно выступать на Кубке мира и смог закрепиться в основной сборной. Впервые попал на подиум 2 декабря 2006 года, заняв второе место в спринте на этапе Кубка мира в Эстерсунде. Первую победу в эстафете одержал 10 декабря 2006 года.

В феврале 2007 года на Чемпионате Мира-2007 в составе мужской эстафетной команды выиграл первую в своей карьере золотую медаль. По итогам сезона 2006/07 выиграл малый хрустальный глобус в гонках преследования.

Участник «золотой четверки», ни разу в сезонах 2006-2007 и 2007-2008 не опускавшейся ниже второго места, а также на двух чемпионатах мира подряд выигрывавшей золотые медали.

В совместном проекте журналистов газеты «Советский Спорт» и телеканала «РТР-Спорт» «спортсмен месяца» Дмитрий Ярошенко был удостоен этого звания по итогам голосования читателей и телезрителей в декабре 2007 года. 29 декабря 2007 года Дмитрий совместно с Екатериной Юрьевой одержал победу в Рождественской гонке в немецком Гельзенкирхене на стадионе «Шальке».

В 2007 году 7 декабря выиграл спринтерскую гонку на этапе Кубка мира в Хохфильцене. На чемпионате мира 2008 выиграл вторую в своей карьере золотую медаль в составе мужской эстафетной команды, а также бронзу в смешанной эстафете. По итогам сезона 2007/08 занял второе место в общем зачете Кубка мира.

В 2009 году 13 февраля Международный союз биатлонистов официально подтвердил положительные результаты допинг-проб, взятых у Дмитрия Ярошенко, Екатерины Юрьевой и Альбины Ахатовой в декабре 2008 года на первом этапе Кубка мира-2008/2009 в шведском Эстерсунде. Биатлонисты были признаны виновными в употреблении запрещенных препаратов и дисквалифицированы на два года каждый, без права участвовать на Олимпиаде в Ванкувере, но с правом участвовать на Олимпиаде в Сочи, так как отменена 45-я поправка. В 2010 году 12 декабря Дмитрий вернулся в большой биатлон, и в первой же гонке российского масштаба стал третьим, показав лучшую скорость. В 2011 году на чемпионате мира по летнему биатлону стал абсолютным чемпионом. В феврале 2013 года заявил о завершении карьеры биатлониста. Последней гонкой для Ярошенко стала гонка преследования на призы губернатора Тюменской области 31 марта 2013 года.