Вырос и учился в Москве. Окончил Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (1953). Аспирантуру МГУ (1956) работал (и по сей день работает) как нейробиолог. До 1962 работал в МГУ, позже в Академии наук. Доктор биологических наук. Известен трудами в области нейроэтологии — науки об элементарных (клеточных и химических) механизмах поведения. Лауреат премии имени Л. А. Орбели, член редколлегий международных научных журналов, профессиональных сообществ США и Швеции, почетный член Венгерского физиологического общества. В 1995 году избран действительным членом Российской академии естественных наук (РАЕН).
Со студенческих лет активно участвовал в песенной самодеятельности, сочинял стихи и песни, как самостоятельно, так и в соавторстве с однокурсниками — Геном Шангиным-Березовским, Лялей Розановой и другими. В поэтическом творчестве выступает под псевдонимом Дмитрий Сухарев. Стихи и стихотворные переводы публикует с середины 50-х гг (с 1957 г. — под псевдонимом). В 60-е гг Дм. Сухарев становится одним из постоянных авторов журналов «Новый мир» и «Юность», тогда же вышли первые сборники поэта «Саженцы» (в коллективном сборнике «Общежитие», 1961), «Дань» (1963).
В 1964 г. Сухарев становится членом Союза писателей. Позже, наряду с «чистой» поэзией, Дмитрий Сухарев немало занимался поэзией «прикладной», создав ряд произведений для музыкального театра и кино. В последний период ведущее место заняли опыты в прозе, критике, эссеистике.
Несколько песен, созданных Сухаревым еще в аспирантские годы, завоевали популярность в среде студенчества. Со временем авторская песня оказалась в центре интересов поэта. Классикой жанра являются песни на стихи Сухарева, родившиеся в сотрудничестве с поющими композиторами В. Берковским и С. Никитиным. Дмитрий Сухарев — руководитель поэтических и бардовских семинаров, член жюри фестивалей и конкурсов, автор многих статей и очерков, посвященных авторской песне. Составитель и комментатор книги «Авторская песня. Антология» (Екатеринбург, 2002, 2003). В настоящее время Сухарев — один из признанных классиков жанра авторской песни.
Дм. Сухарев лауреат премии имени Андрея Синявского «За благородство и творческое поведение в литературе» (2000). Премии РФ по литературе имени Булата Окуджавы (2001). Премия Союза писателей Москвы «Венок» (2004).