Родился в семье заводского священника. Получил домашнее образование, затем учился в Висимской школе для детей рабочих, позднее в Екатеринбургском духовном училище (1866—1868) и в Пермской духовной семинарии (до 1872). В 1872 поступил в Петербургскую медико-хирургическую академию на ветеринарное отделение. В 1876, не окончив академии, перешёл на юридический факультет Санкт-Петербургского университета. Проучившись год, вынужден оставить университет из-за материальных трудностей и резкого ухудшения здоровья (начался туберкулёз).
Летом 1877 вернулся на Урал к родителям. В следующем году умер отец; вся тяжесть забот о семье легла на Мамина-Сибиряка. Чтобы дать образование братьям и сестре и суметь заработать, решено было переехать в крупный культурный центр Екатеринбург. В Екатеринбурге женился на Марии Алексеевой, которая стала не только женой-другом, но и прекрасным советчиком по литературным вопросам. В эти годы совершил много поездок по Уралу, изучал литературу по истории, экономике, этнографии Урала, знакомился с народной жизнью.
С начала 1880-х занимался литературным трудом, неоднократно выезжал в Санкт-Петербург.
В 1890 развёлся с первой женой и женился на артистке Екатеринбургского драматического театра М. Абрамовой и переехал в Санкт-Петербург.
Мамин-Сибиряк с 1892 года, после горькой утраты любимой жены, скончавшейся при рождении их дочери Аленушки, выдвигается еще как прекрасный писатель о детях и для детей. Его сборники "Детские тени", "Аленушкины сказки" (1894-1896) имели очень большой успех и вошли в русскую детскую классику. Произведения Мамина-Сибиряка для детей "Зимовье на Студеной" (1892), "Серая шейка" (1893), "Зарницы" (1897), "По Уралу" (1899) и другие приобрели широкую известность. Они открывают высокую простоту, благородную естественность чувств и любовь к жизни их автора, одухотворяющего поэтическим мастерством домашних животных, птиц, цветов, насекомых. Некоторые критики сравнивают сказки Мамина с андерсеновскими.
Умер 15 ноября 1912 года в Санкт-Петербурге.
В честь писателя названо несколько улиц, в том числе одна из них находится в Екатеринбурге.
К 150-летию со дня рождения писателя, в 2002 Союз писателей России и Ассоциация писателей Урала учредили Премию имени Д. Н. Мамина-Сибиряка, ежегодно вручаемую авторам, чьи работы так или иначе связанные с Уралом. Первое вручение премии прошло в ноябре 2002 на родине писателя, в посёлке Висим(Свердловская область).В 1963 году имя писателя получил Нижнетагильский драматический театр
Писатель изображён на лицевой стороне купюры номиналом 20 уральских франков 1991 года выпуска.