Дмитрий Наркисович родился 25 октября (6 ноября) 1852 года в Висимо-Шайтанском заводе Верхотурского уезда Пермской губернии в семье заводского священника. В 1868 году окончил Екатеринбургское духовное училище, учился в Пермской духовной семинарии (1868-1872). В 1872-1876 годы учился на ветеринарном отделении Императорской медико-хирургической академии в Санкт-Петербурге и на юридическом факультете Санкт-Петербургского университета.
С 1876 года публиковал авантюрно-этнографические очерки и рассказы из уральского быта в журналах «Кругозор» и «Сын Отечества».
Весной 1877 года Дмитрий Мамин из-за болезни оставил учебу и приехал на Урал. Его отец, Наркис Матвеевич Мамин, служил священником Никольской церкви в Нижней Салде Пермской губернии (в настоящее время город Нижняя Салда относится к Свердловской области). Управитель Нижнесалдинского завода Константин Павлович Поленов показывал ему заводское устройство и рассказывал о процессе производства металла. После знакомства с Нижнесалдинским заводом тема заводской жизни Урала навсегда осталась в его творчестве.
В 1878-1890 годы жил в Екатеринбурге. Литературную известность принесла серия очерков «От Урала до Москвы». В романах «Три конца», «Горное гнездо», «Приваловские миллионы» встречается описание Нижнесалдниского завода и поселка. Эти произведения посвящены капиталистическому развитию Урала в пореформенное время.
Роман «Горное гнездо» был впервые опубликован в журнале «Отечественные записки» за 1884 год. Редактор журнала М. Е. Салтыков-Щедрин положительно отозвался о романе. Много ценных сведений о жизни заводской верхушки Мамин узнал из рассказов своей жены, Марии Якимовны Колногоровой, бывшей прежде замужем за управителем Верхнесалдинского завода инженером Н. И. Алексеевым. П. П. Демидов явился прототипом центрального персонажа Лаптева, который был интересен писателю как тип вырождающегося «хозяина». Родион Сахаров лишь отчасти напоминает Якима Семеновича Колногорова, который был талантливым организатором уральского металлургического производства. Ученые отметили близость Д. Л. Вершинина к К. П. Поленову.
Самый известный роман уральского цикла «Приваловские миллионы» впервые опубликован в журнале «Дело» в 1883 году.
С 1891 года жил в Санкт-Петербурге. В исторических повестях «Братья Гордеевы», «Охонины брови», романах «Золото» и «Хлеб» продолжал разрабатывать уральские темы.
Романы «Ранние всходы» и «Падающие звезды» посвятил жизни интеллигентной петербургской молодежи.
Широкую известность получили детские сборники «Детские тени» и «Аленушкины сказки».
Умер 2 (15) ноября 1912 года в Санкт-Петербурге. В Нижней Салде на доме, где жила семья Маминых установлена мемориальная доска.
