Дмитрий Марьянов родился в Москве в 1969 году. С 1-го по 7-й класс он учился в театральной школе №123 при Театре на Красной Пресне. Занимался акробатикой, танцами, плаванием, футболом, самбо и спортивной гимнастикой. Был актером маленького эксцентричного театра «Ученая обезьяна». В 1992 году окончил Театральное училище им. Б. В. Щукина. Сразу же был принят в труппу театра «Ленком», в котором работал до 2003 года.
Свою первую роль Марьянов сыграл в 1986 году в молодежном фильме Валерия Федосова «Была не была». В 1988 году снялся в фильме «Дорогая Елена Сергеевна». В 1991-м — в фильме «Любовь». Эти роли закрепили за ним статус «звезды» нового поколения. Был исполнителем главной роли в полюбившихся россиянам сериалах «Боец» и «Личная жизнь следователя Савельева».
Утром 15 октября 2017 года артист пожаловался на боли в ноге и спине. Через несколько часов Марьянов потерял сознание. Друзья отвезли его в больницу, но в 19:30 мск врачи констатировали смерть актера. По некоторым данным, причиной преждевременной кончины Марьянова стал оторвавшийся тромб.
С 2015 года актер был в браке с Ксенией Бяк, которая моложе его на 17 лет. У Мартьянова осталось двое детей - сын Даниил от первого брака и дочь Анфиса.