Дмитрий Васильев родился в 1972 году в Приморском крае. Обучался в Ростовской и Нижегородской консерваториях, совершенствовал мастерство по специальности «оперно-симфоническое дирижирование» у профессора Александра Скульского в ассистентуре-стажировке Нижегородской консерватории. Дипломант IV Международного конкурса имени С. С. Прокофьева в Санкт-Петербурге (2003).
В 1997 году под руководством Дмитрия Васильева был создан Тамбовский симфонический оркестр, главным дирижером которого он оставался до 2005 года. В 2003–2005 гг. – главный приглашенный дирижер Сочинского симфонического оркестра. С 2005 года – главный дирижер, с 2009 года – художественный руководитель и главный дирижер Омского академического симфонического оркестра. В 2026 году приглашен на пост музыкального директора Гонконгского камерного оркестра «Метрополис» (Hong Kong Metropolis Chamber Orchestra).
Значительное внимание дирижер уделяет музыке современных композиторов; представил около 100 премьер. Среди них мировые премьеры сочинений Мечислава Вайнберга, Алемдара Караманова, Александра Чайковского («Карантинная симфония»), Кузьмы Бодрова, Софии Губайдулиной, Ефрема Подгайца, Антона Танонова, Толибхона Шахиди, Екатерины Карпенко, Александра Хубеева, Гая Бакоса, Алексея Сысоева, Виссариона Шебалина, Николая Попова, Давида Кривицкого («Фантастическая кантата»); российские премьеры произведений Филипа Гласса, Джона Корильяно (Первая симфония), Карла Дженкинса, Джона Адамса, Кристофера Роуза, Дмитрия Курляндского, Беньямина Юсупова.
В 2018 году Фестиваль Новой музыки под руководством Дмитрия Васильева был признан «Событием года» по версии газеты «Музыкальное обозрение», в 2022 году вошел в топ событий года по версии журнала «Музыкальная жизнь».
Дмитрий Васильев был художественным руководителем Международных фестивалей имени С. В. Рахманинова, фестивалей «Музыканты Тамбова», «Музыкальная провинция». Инициатор и руководитель ряда программ, в числе которых фестиваль «Белая симфония», конкурс юных музыкантов «Солист оркестра» на лучшее исполнение произведения с оркестром, Первый симфонический «Баттл оркестров», «Симфоспорт», мультимедийные проекты «Дали», «Русский авангард», «Марина – вот оно – море». Один из создателей и активный участник опен эйр проекта Омской филармонии «Симфопарк».
Под управлением Васильева ОАСО участвовал в IV Фестивале симфонических оркестров мира в Москве, Симфоническом форуме России в Екатеринбурге, Фестивале симфонических оркестров Сибири в Красноярске, в 2024 году выступил на церемонии открытия концертного комплекса в Сиане в присутствии членов китайского правительства. Маэстро и оркестр выступают на престижных отечественных сценах – в Концертном зале Мариинского театра, Концертном зале имени П. И. Чайковского, Колонном зале Дома Союзов, МКЗ «Зарядье», Концертном центре «Сириус».
Дмитрий Васильев сотрудничал со многими известными российскими и зарубежными коллективами, среди которых Госоркестр России имени Е. Ф. Светланова, Национальный филармонический оркестр России, Московский государственный академический симфонический оркестр, оркестры Московской, Нижегородской, Северо-Кавказской, Саратовской, Карельской и Белгородской филармоний, Ростовский, Воронежский, Томский, Дальневосточный (Хабаровск) академические симфонические оркестры, Тюменский филармонический оркестр, Ульяновский государственный академический симфонический оркестр «Губернаторский», Тихоокеанский симфонический оркестр во Владивостоке, Государственная академическая симфоническая капелла России, Государственная академическая хоровая капелла России имени А. А. Юрлова, Государственный академический русский хор имени А. В. Свешникова и др.
За рубежом маэстро выступал с оркестрами Италии, Израиля, Польши, Южной Кореи, Китая. Его партнерами по сцене были пианисты Николай Петров, Марк-Андре Амлен, Борис Березовский, Элисо Вирсаладзе, Фредди Кемпф, Денис Мацуев, Даниил Трифонов, скрипачи Павел Милюков, Вадим Репин, Саяка Сёдзи, виолончелист Миша Майский, трубач Сергей Накаряков, певцы Александр Ведерников, Хибла Герзмава, Владимир Маторин.
В репертуаре дирижера – музыка от эпохи венского классицизма до аранжировок рок-композиций. Значительное место в его программах занимает академическая музыка ХХ–XXI вв. Аудиодиски, записанные с участием Дмитрия Васильева, выходили под лейблами Antes Edition и ArtBeat. Британская фирма Toccata Classics выпустила ряд мировых премьер записей, осуществленных под управлением маэстро; в этом ряду оркестровые сюиты Виссариона Шебалина, Симфонии №№ 21 и 22 Мечислава Вайнберга, произведения Александра Чайковского, Филипа Спрэтли, Стива Элкока. Записи дирижера были названы «Альбомом недели» британским критиком Норманом Лебрехтом (2014, 2021) и признаны «Записью месяца» международным журналом MusicWeb. В 2021 году Омский академический симфонический оркестр под управлением Дмитрия Васильева стал победителем программы Союза композиторов России «Ноты и квоты» (в номинации для симфонического оркестра или хора), в рамках которой было заказано и впервые исполнено сочинение Алексея Сысоева «Вариации и аплодисменты». Диск с сочинениями Александра Чайковского награжден международной премией «Чистый звук» (2025, Москва).
ОАСО под управлением Дмитрия Васильева постоянно принимает участие в культурной программе массовых и спортивных мероприятий, среди которых ралли «Шелковый путь», чемпионаты мира и Европы по бальным танцам, турнир по художественной гимнастике «Кубок Евгении Канаевой», Сибирский международный марафон и многие другие.
Заслуженный деятель искусств России (2026).