Дмитрий Дюжев родился в Астрахани в семье актёра местного театра Петра Дюжева.
В 1995 году окончил «Школу одарённых детей» и поступил в ГИТИС на режиссёрский факультет (актёрская группа, мастерская Марка Захарова). По окончании института в 1999 году был принят в труппу Московского ТЮЗа.
В кино Дмитрий Дюжев дебютировал в 2000 году в фильме Александра Атанесяна «24 часа».
Известность актёру принесла роль Космоса в телесериале Алексея Сидорова «Бригада» (2002), а признание у кинокритиков — исполнение роли бандита Саймона в «чёрной комедии» Алексея Балабанова «Жмурки»: эта роль была отмечена на ОРКФ «Кинотавр» в Сочи в 2005 году.
С 2006 года Дмитрий Дюжев является актёром МХТ им. Чехова.
После победы в телепередаче «Две звезды» открыл в себе талант певца и с тех пор гастролирует со своей партнёршей по телепередаче Тамарой Гвердцители.
В 2011 году состоялся дебют Дюжева в качестве режиссёра. Закончив Высшие режиссёрские курсы ВГИК, он снял дипломную работу — получасовой фильм «Братия», который участвовал в «Кинотавре» в конкурсе короткометражных фильмов, а также в Петербургском фестивале студенческого кино «Начало».
Позже фильм «Братия» получил спецприз жюри на Московском фестивале авторского короткого метра «Арткино» и главный приз на фестивале «Отражение». Также фильм был избран от российских киношкол для участия в международном фестивале короткого метра в Пуатье (Франция).
В 2012 году состоялась премьера фильма «Мамы», где Дюжев снял свою вторую новеллу
«Моей любимой» с Сергеем Безруковым.
