С детства Дмитрий был творческой личностью. С первого по седьмой классы мальчик учился в театральной школе №123 при Театре на Красной Пресне в Хлыновском тупике столицы. Марьянов 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. Являлся актером «Независимого театрального проекта».
Первая роль — в молодежном фильме Валерия Федосова «Была не была» (Одесская киностудия, 1986 г.). В 1986 году сыграл главную роль в фильме «Выше Радуги». В 1988 году снялся в фильме «Дорогая Елена Сергеевна». В 1991-м — в фильме «Любовь». Эти роли закрепили за ним статус звезды нового поколения. Сыграл главные роли в сериале «Боец» и «Личная жизнь следователя Савельева» (2012 год).
Дмитрий Марьянов скончался 15 октября 2017 года. По предварительным данным, причиной смерти стал оторвавшийся тромб. Актер почувствовал себя плохо, когда находился с друзьями на даче. Товарищи пытались убедить скорую помощь приехать на дачу, после чего приняли решение везти Дмитрия к медикам самостоятельно. Актер скончался до прибытия в больницу подмосковной Лобни.