Родился в Киеве в семье ремесленника (шорника).
После учения в приходском училище и прогимназии, принят во 2-ю Киевскую гимназию и кончил курс в ней с золотой медалью. Затем учился в университетах Киевском и Харьковском и за сочинение, на заданную историко-филологическим факультетом тему, награждён золотой медалью и оставлен при Университете (1880 г.) стипендиатом для приготовления к профессуре.
По окончании историко-филологического факультета Харьковського университета в 1880 году занимался преподаванием, научной, общественной деятельностью.
На степень магистра написал: «Историю Северской земли», переработав сочинение, удостоенное золотой медали. 11 марта 1883 г. избран приват-доцентом Харьковского университета по кафедре русской истории, а в 1887 г. удостоен степени доктора истории в Московском университете за диссертацию «Очерки из истории колонизации и быта степной окраины Московского государства». Это сочинение удостоено половинной суммой Уваровской премии.
Д. И. Багалей принимал живое участие в занятиях исторического общества летописца Нестора в Киеве и историко-филологического общества в Харькове. Был на съездах археологических в Одессе и Ярославле депутатом от Харьковского университета. По приглашению главного командира Черноморского и Азовского флотов читал морским офицерам лекции в Николаеве. С целью исследования исторических материалов посещал Чернигов и Полтаву, руководил описанием Харьковского исторического архива.
С 1918 — председатель историко-филологического отдела, член Президиума УАН. В 20-х годах преподавал историю Украины в высшей школе, одновременно исследуя историю Слободской, Левобережной, Южной Украины XV—XVIII веков.
Дмитрий Багалей — автор свыше 200 научных трудов, из которых самые известные: