Сын великого князя Константина Николаевича и великой княгини Александры Иосифовны (урожденной Александры Фредерики Генриеты Паулины Марианны Елизаветы, принцессы Саксен-Альтенбургской), племянник императора Александра II. При рождении зачислен в лейб-гвардии Конный полк, Гвардейский экипаж и назначен шефом 16-го гренадерского Мингрельского полка. 26.6.1860 зачислен в лейб-гвардии Измайловский полк и лейб-гвардии 4-й стрелковый Императорской Фамилии батальон. 1.6.1867 произведен в прапорщики и зачислен в лейб-гвардии Гродненский гусарский полк. В июне–августе 1872, 1874, 1875 и 1876 гг. находился в плаваниях на различных судах Балтийского флота по Балтийскому морю. 10.8.1876 произведен в гардемарины. 21.9.1878 произведен в подпоручики. 8.8.1879 произведен в поручики. 1.6.1880 назначен флигель-адъютантом его императорского величества. 30.12.1880 прибыл на службу в лейб-гвардии Конный полк. С 13.10.1884 по 11.5.1885 в изъятие из правил прикомандирован к инструкторскому отделу Офицерской кавалерийской школы. 30.8.1885 произведен в штабс-ротмистры. Трижды назначался заведующим полковой учебной командой лейб-гвардии Конного полка. 25.3.1889 произведен в ротмистры за отличие по службе. 17.1.1890 назначен командиром 2-го эскадрона лейб-гвардии Конного полка. 28.11.1892 произведен в полковники за отличие по службе с назначением командующим лейб-гвардии Конно-Гренадерским полком. 14.5.1896 произведен в генерал-майоры за отличие по службе с утверждением командиром лейб-гвардии Конно-Гренадерского полка. 25.05.1897 назначен главноуправляющим государственным коннозаводством с оставлением командиром лейб-гвардии Конно-Гренадерского полка. 5.4.1898 зачислен в Свиту его императорского величества с оставлением в должностях. 28.12.1903 назначен командиром 1-й бригады 2-й гвардейской кавалерийской дивизии с оставлением главноуправляющим государственным коннозаводством. 6.12.1904 произведен в генерал-лейтенанты за отличие по службе и назначен генерал-адъютантом его императорского величества с оставлением в должностях. 23.3.1905 уволен от должности командира 1-й бригады 2-й гвардейской кавалерийской дивизии по болезни. 13.11.1905 уволен от должности начальника государственного конезаводства по болезни с оставлением генерал-адъютантом. 01.08.1907 назначен попечителем при своих племянниках князьях крови императорской Иоанне и Гаврииле Константиновичах. 6.12.1912 произведен в генералы от кавалерии.

            Большой любитель и знаток лошадей, много сделавший для развития коневодства в России. Владелец Дубровского конного завода в Полтавской губернии, покровитель, попечитель, почетный президент и почетный член многих коннозаводческих, беговых, скаковых и ветеринарных обществ и организаций. Во время Первой мировой войны из-за резкого ухудшения зрения остался в тылу, занимался подготовкой кавалерийских частей. После Февральской революции 11.3.1917 вместе с племянниками подписал отказ от престолонаслендия. 25.4.1917 уволен со службы по прошению с мундиром. Проживал в Петрограде. В середине апреля 1918 г. вместе с великими князьями Николаем и Георгием Михайловичами сослан в Вологду. 20.6.1818 арестован и препровожден в Петроград, где помещен в Дом предварительного заключения (Шпалерную тюрьму). Расстрелян в Петропавловской крепости вместе с великими князьями Павлом Александровичем, Николаем Михайловичем и Георгием Михайловичем по постановлению Президиума ВЧК как заложник. Погребен на территории Петропавловской крепости. 1.11.1981 канонизирован РПЦЗ. 9.6.1999 реабилитирован постановлением Генеральной прокуратуры РФ. 20.12.2009 при производстве земляных работ на территории Петропавловской крепости обнаружены останки, возможно принадлежащие Дмитрию Константиновичу.

Был холост.