Ο Δημήτριος Νανόπουλος γεννήθηκε στην Αθήνα στις 13 Σεπτεμβρίου 1948. Από την πλευρά του πατέρα του κατάγεται από τη Βόρεια Ήπειρο.[1] Σπούδασε φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και συνέχισε τις σπουδές του στο Πανεπιστήμιο του Σάσσεξ της Αγγλίας, όπου απέκτησε το διδακτορικό του το 1973 στη Θεωρητική Φυσική των Υψηλών Ενεργειών.
Διετέλεσε ερευνητής στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών Ευρώπης (CERN) στη Γενεύη της Ελβετίας και επί σειρά ετών ανήκε στο ανώτερο ερευνητικό προσωπικό του Κέντρου. Διετέλεσε ερευνητής στην École Normale Supérieure (στο Παρίσι) και στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ των ΗΠΑ. Το 1989 εξελέγη καθηγητής στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Τέξας A&M, College Station, όπου από το 1992 είναι διακεκριμένος καθηγητής και όπου από το 2002 κατέχει την έδρα Mitchell/Heep της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών. Είναι διευθυντής του Κέντρου Αστροσωματιδιακής Φυσικής του Κέντρου Προχωρημένων Ερευνών (HARC), στο Χιούστον, Τέξας, όπου διευθύνει ερευνητικό τμήμα του World Laboratory, που εδρεύει στη Λωζάνη.
Το κύριο ερευνητικό του έργο ανήκει στο πεδίο της σωματιδιακής φυσικής (ή φυσική υψηλών ενεργειών) και της κοσμολογίας,[2] ενώ στα ερευνητικά του ενδιαφέροντα ανήκουν και η δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας όλων των δυνάμεων της φύσης, η θεωρία του Παντός, η υπερσυμμετρία, η υπερβαρύτητα, οι θεωρίες υπερχορδών και η βιοφυσική.
Έχει συγγράψει πάνω από 680 πρωτότυπες εργασίες, όλες δημοσιευμένες σε περιοδικά με κριτές και υψηλό παράγοντα επιρροής, συμπεριλαμβανομένων 15 βιβλίων. Έχει πάνω από 45.290 ετεροαναφορές[3] (δείκτης h=102) και τον Νοέμβριο 2001 βρέθηκε[4] ότι είχε τον 4ο υψηλότερο h-index στον κόσμο ανάμεσα στους θεωρητικούς φυσικούς, σε κατάταξη που έγινε από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η συγκεκριμένη κατάταξη προκύπτει υπολογιστικά και αφορά τον συνολικό αριθμό δημοσιεύσεων ενός επιστήμονα, λαμβάνοντας υπ' όψιν και τις παραπομπές που έχουν γίνει από άλλους προς αυτές τις δημοσιεύσεις.