Ο Δημήτρης Θέμελης γεννήθηκε στη Θεσσαλονίκη το 1931 και είναι γιος του ποιητή Γιώργου Θέμελη. Καθοριστικό για την σταδιοδρομία του υπήρξε το γεγονός ότι πέρασε ένα μέρος των παιδικών του χρόνων στην Ικαρία -τόπο καταγωγής της μητέρας του-, μάλιστα κατά τη δύσκολη χρονική περίοδο 1940 - 1944, όπου του δόθηκε η ευκαιρία να μάθει να παίζει νησιώτικη λύρα από λυράδηδες εκείνης της εποχής και να γνωρίσει τη ζωντανή πράξη της παραδοσιακής μας μουσικής. Απόφοιτος του Κρατικού Ωδείου Θεσσαλονίκης -βιολί και θεωρητικά- συνέχισε με υποτροφία (DAAD) τις σπουδές του στο Μόναχο: βιολί με τον καθηγητή Kurt Stiehler και Μουσικολογία, Βυζαντινολογία και Αρχαία Ιστορία στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, απ' όπου αποφοίτησε ως διδάκτωρ της Φιλοσοφικής Σχολής.
Διετέλεσε διευθυντής του Κρατικού Ωδείου Θεσσαλονίκης (1971- 1985), και από το 1985 καθηγητής Μουσικολογίας στο Τμήμα Μουσικών Σπουδών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, του οποίου διετέλεσε πρόεδρος επί τέσσερις θητείες. Επίσης διετέλεσε κοσμήτορας της Σχολής Καλών Τεχνών του  ΑΠΘ και πρόεδρος της καλλιτεχνικής επιτροπής της Κρατικής Ορχήστρας Θεσσαλονίκης. Από το Σεπτέμβριο του 1998 είναι ομότιμος καθηγητής του ΑΠΘ.
Είναι μέλος της Ένωσης Ελλήνων Μουσουργών, διετέλεσε εκπρόσωπος του Διεθνούς Συμβουλίου Παραδοσιακής Μουσικής (ICTM) στην Ελλάδα, μέλος της Γερμανικής Εταιρίας Μουσικής Έρευνας και της Διεθνούς Εταιρείας Εθνομουσικολογίας, μέλος του Προεδρίου του Διεθνούς Οργανισμού Λαϊκής Τέχνης (IOV), επίσης τακτικό μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της Νέας Υόρκης. Το 1990 τιμήθηκε από την Μουσική Εταιρεία Βορείου Ελλάδος με το "χρυσό βραβείο" μουσικής προσφοράς.
Πραγματοποίησε πολλές διαλέξεις και συμμετείχε σε διεθνή μουσικολογικά συνέδρια. Έχει πολυάριθμες δημοσιεύσεις, μεταξύ άλλων για την ελληνική μουσική (έντεχνη και παραδοσιακή) για τη διδακτική του βιολιού κ.α. Από τα νεανικά του χρόνια ασχολείται επίσης με τη σύνθεση, ωστόσο το μεγαλύτερο μέρος των έργων του το συνέθεσε τις δύο τελευταίες δεκαετίες, στις οποίες διαμόρφωσε μια δική του μουσική γλώσσα. Συνθέσεις του έχουν παιχτεί στην Ελλάδα και το εξωτερικό.