Διεθνούς φήμης αρχιμουσικός, συνθέτης και πιανίστας. Ήταν γνωστός για τη φωτογραφική του μνήμη (μπορούσε να διευθύνει χωρίς παρτιτούρα) και τον ασκητικό τρόπο της ζωής του, απόρροια της βαθιάς χριστιανικής πίστης του.
Γεννήθηκε στην Αθήνα στις 18 Φεβρουαρίου 1896. Ο πατέρας του Ιωάννης διατηρούσε κατάστημα με δερμάτινα είδη στην Αγίου Μάρκου και η μητέρα του Αγγελική ήταν νοικοκυρά. Σπούδασε πιάνο και σύνθεση στο Ωδείο Αθηνών και αποφοίτησε με άριστα το 1919. Σπουδαστής ων πήρε το βάπτισμα του πυρός ως μαέστρος, διευθύνοντας τη Συμφωνική Ορχήστρα του Ωδείου στις 29 Απριλίου 1915. Το 1920 με υποτροφία του Ωδείου Αθηνών μετέβη στις Βρυξέλλες, όπου έλαβε ιδιωτικά μαθήματα σύνθεσης και οργάνου.
Από το 1922 έως το 1924 εργάστηκε ως μουσικός εκγυμναστής στην Κρατική Όπερα του Βερολίνου. Εκεί γνώρισε τον ιταλό συνθέτη και πιανίστα Φερούτσιο Μπουζόνι, που έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη μουσική του εξέλιξη. Το 1924 επιστρέφει στην Αθήνα και αναλαμβάνει τη διεύθυνση της Συμφωνικής Ορχήστρα του Ωδείου Αθηνών (1924 – 1925 και 1927 – 1937) και της Ορχήστρας του Συλλόγου Συναυλιών (1925 – 1927). Παράλληλα, ακολουθεί διεθνή καριέρα, διευθύνοντας σπουδαία ευρωπαϊκά μουσικά σύνολα. Πρώτη του διεθνής εμφάνιση στις 27 Φεβρουαρίου 1930, όταν διευθύνει τη Φιλαρμονική του Βερολίνου, συμμετέχοντας ταυτόχρονα ως σολίστ στο Τρίτο Κοντσέρτο για Πιάνο του Προκόφιεφ.
Το 1936 πήγε για πρώτη φορά στις ΗΠΑ για να διευθύνει τη Συμφωνική Ορχήστρα της Βοστόνης, ύστερα από πρόσκληση του μόνιμου διευθυντή της Σερζ Κουσεβίτσκι. Το 1938 αναλαμβάνει τη διεύθυνση της Συμφωνικής Ορχήστρας της Μινεάπολης, στην οποία παρέμεινε επικεφαλής έως το 1949, καθιστώντας τη μία από τις κορυφαίες ορχήστρες των ΗΠΑ. Το 1949 μετακόμισε στη Συμφωνική της Νέας Υόρκης, στην οποία παρέμεινε έως το 1957 ως συνδιευθυντής αρχικά και στη συνέχεια ως αρχιμουσικός και καλλιτεχνικός διευθυντής.
Από το 1950 ξανάρχισε τις ευρωπαϊκές του εμφανίσεις, έπειτα από απουσία 12 ετών στις ΗΠΑ. Από τότε μοίραζε τον χρόνο του μεταξύ Ευρώπης και Αμερικής. Το καλοκαίρι του 1955 πραγματοποίησε μια μεγάλη πανευρωπαϊκή περιοδεία με τη Φιλαρμονική Ορχήστρα της Νέας Υόρκης. Ανάμεσα στις πόλεις που επισκέφθηκε ήταν και η Αθήνα, έπειτα από απουσία 17 ετών. Η συναυλία της ορχήστρας στο Ηρώδειο άφησε εποχή. Η δύσκολη ευρωπαϊκή κριτική χαιρέτισε στο πρόσωπό του Μητρόπουλου ένα μεγάλο μαέστρο και χαρακτήρισε τη Φιλαρμονική της Νέας Υόρκης ως το κορυφαίο αμερικανικό συμφωνικό συγκρότημα, που συνδυάζει την τεχνική τελειότητα μιας αφρικανικής ορχήστρας με τη μουσικότητα της γνήσιας ευρωπαϊκής παράδοσης.
Ο Δημήτρης Μητρόπουλος, εκτός από σπουδαίος μαέστρος, υπήρξε και πολύ αξιόλογος συνθέτης. Έγραψε περίπου 40 έργα για ορχήστρα, πιάνο και φωνή, καθώς και μία όπερα («Αδελφή Βεατρίκη»). Οι πρώτες του συνθέσεις ήταν γραμμένες στο τονικό σύστημα, αλλά με ενδιαφέροντες αρμονικούς πειραματισμούς, οι οποίοι γύρω στο 1915 γίνονται περισσότερο τολμηροί, φτάνοντας στην ατονικότητα τη δεκαετία του ’20.
Είναι ο πρώτος Έλληνας συνθέτης που χρησιμοποίησε στο έργο του «Οστινάτα για βιολί και πιάνο» (1926-1927) αυστηρά δωδεκαφθογγική τεχνική.
Ο Δημήτρης Μητρόπουλος έπεσε επί των επάλξεων. Στις 2 Νοεμβρίου 1960 ο μεγάλος Έλληνας μαέστρος πέθανε από καρδιακή προσβολή πάνω στο πόντιουμ της Σκάλας του Μιλάνου, κατά τη δοκιμή της «Τρίτης Συμφωνίας» του Μάλερ. Είχαν προηγηθεί δύο καρδιακά επεισόδια, το 1953 και το 1959.
Όσο ζούσε, αλλά και στη διαθήκη του, είχε εκφράσει την επιθυμία η σορός του να καεί και η τέφρα του να διακομισθεί στην Ελλάδα. Η καύση έγινε στο Λουγκάνο και η τέφρα του μεταφέρθηκε στην Αθήνα. Ύστερα από μια επίσημη, αλλά και συγκινητική τελετή στο Ωδείο Ηρώδου του Αττικού, η τέφρα του Δημήτρη Μητρόπουλου έμεινε για κάποιο διάστημα στο Ωδείο Αθηνών και στη συνέχεια μεταφέρθηκε στο Α’ Νεκροταφείο, σε τάφο που παραχώρησε ο Δήμος Αθηναίων και κατασκεύασε ο γλύπτης Γιάννης Παππάς.
Ο Δ. Μητρόπουλος διευθύνει τη Φιλαρμονική της Νέας Υόρκης σε πρόβα και συναυλία