Dimitri Mitropoulos nasceu em Atenas, filho de Yannis e Angelike Mitropoulos. Seu pai era dono de uma loja de artigos de couro no centro de Atenas. Ele era musicalmente precoce, demonstrando suas habilidades desde cedo. Dos onze aos quatorze anos, quando Dimitri estava no ensino médio, hospedava e presidia reuniões musicais informais em sua casa todos os sábados à tarde. Sua primeira composição reconhecida - uma sonata para violino e piano, agora perdida - data desse período. Sua ópera Soeur Béatrice, baseada na peça de Maurice Maeterlinck, estreou em 1919. Estudou música no Conservatório de Atenas, bem como em Bruxelas e Berlim, com Ferruccio Busoni entre seus professores. Em 1921, ele regeu a música inaugural da República Socialista da Baviera. De 1921 a 1925, ele auxiliou Erich Kleiber na Ópera Estatal de Berlim e depois assumiu vários cargos na Grécia. Em um concerto de 1930 com a Filarmônica de Berlim, descobrindo que seu solista estava doente, ele tocou a parte solo do Concerto para Piano nº 3 de Prokofiev e regeu a orquestra no teclado, tornando-se um dos primeiros a fazê-lo. Dimitri Mitropoulos fez sua estreia nos Estados Unidos em 1936 com a Orquestra Sinfônica de Boston, e mais tarde se estabeleceu no país, tornando-se cidadão em 1946. De 1937 a 1949, atuou como maestro principal da Orquestra Sinfônica de Minneapolis (precursora da atual Orquestra de Minnesota). Em 1949, iniciou sua associação com a Filarmônica de Nova York. Ele foi inicialmente co-regente com Leopold Stokowski e se tornou o único diretor musical em 1951. Gravou extensivamente com a Filarmônica para a Columbia Records e procurou alcançar novos públicos na cidade por meio de aparições na televisão e conduzindo apresentações no Roxy Theatre, um cinema popular em 1950-51. Ele expandiu o repertório da Filarmônica, encomendando obras de novos compositores e defendendo as sinfonias de Gustav Mahler. Em 1955, a apresentação da Filarmônica sob a regência de Mitropoulos no Odeon de Herodes Atticus foi o evento principal da edição inaugural do Festival de Atenas. Em 1957, ele conduziu o Brass Ensemble Of The Jazz And Classical Music Society em uma incursão inicial no Third stream. Em 1958, ele foi sucedido como maestro da Filarmônica por um protegido, o grande Leonard Bernstein. Em janeiro de 1960, ele regeu a Filarmônica como convidado em uma apresentação da Quinta Sinfonia de Mahler, que foi gravada. Além de sua carreira orquestral, Mitropoulos regeu ópera extensivamente na Itália e, de 1954 até sua morte em 1960, foi o maestro principal da Metropolitan Opera de Nova York, embora nunca tenha tido um título oficial de "maestro principal" até a década de 1970. Suas interpretações musicalmente incisivas e dramaticamente vívidas de Puccini, Verdi, Richard Strauss e outros permanecem modelos da arte da regência operística. O extenso arquivo de transmissões gravadas preserva muitas dessas excelentes performances. A série de gravações de Mitropoulos para a Columbia Records com a Filarmônica de Nova York incluiu uma rara execução completa de Wozzeck, de Alban Berg. Muitas delas foram relançadas em CD pela Sony Classics, incluindo, mais recentemente, suas gravações estéreo de trechos de Romeu e Julieta, de Prokofiev. Ele gravou com a Sinfônica de Minneapolis para a RCA Victor durante a era do 78 rpm. Também foi representado pelo selo Cetra Records, principalmente com uma das primeiras gravações de Elektra, de Richard Strauss. Estreou muitas obras contemporâneas. Exemplos incluem as estreias americanas da Décima Sinfonia (1954) e do Primeiro Concerto para Violino (1956) de Shostakovich e as estreias mundiais de Vanessa (1958) de Barber, Quarta Sinfonia (1947) de Ernst Krenek e Sinfonia Curta (1950) de John J. Becker.

Era conhecido por ter uma memória eidética (o que lhe permitia reger sem partitura, mesmo durante os ensaios) e por seu estilo de vida monástico devido às suas crenças profundamente religiosas e ortodoxas gregas. Mitropoulos era "discretamente conhecido por ser homossexual" e "não sentia necessidade de um casamento cosmético". Entre seus relacionamentos, segundo consta, havia um com o jovem Leonard Bernstein. Era um amigo próximo e mentor de William Bast. Morreu em Milão, Itália, aos 64 anos de insuficiência cardíaca, enquanto ensaiava a Terceira Sinfonia de Mahler na Ópera La Scala. Uma de suas últimas apresentações gravadas foi La forza del destino, de Verdi, com Giuseppe Di Stefano, Antonietta Stella e Ettore Bastianini, em Viena, em 23 de setembro de 1960. Em 31 de outubro de 1960, dois dias antes de sua morte, Mitropoulos regeu a Terceira Sinfonia de Mahler com a Orquestra Sinfônica da Rádio de Colônia. A apresentação foi gravada e posteriormente lançada comercialmente.

Mestre e Doutorando em Cognição e Linguagem pela UENF, regente de corais e de orquestras sinfônicas há 25 anos.