Каратанов Дмитрий Иннокентьевич родился 26 февраля 1874 года в селе Аскиз Минусинского уезда Енисейской губернии Российской империи. Отец Иннокентий Иванович — мещанин города Красноярска — работал у золотопромышленника П. И. Кузнецова. Бабка по материнской линии была участницей польского восстания 1863—1864 годов.
Учился рисованию у приехавшего из Малороссии в Красноярск художника, академика Рутченко Михаила Александровича (вместе с Л. А. Чернышёвым).
По совету В. Сурикова в 1892 году Каратанов поступает в Императорскую Академию Художеств, где учится у А. И. Куинджи. В Академии Каратанов проучился три года. Полный курс обучения завершить не удалось из-за недостатка средств. В 1895 году художник жил и работал на академической даче, пользуясь материальной поддержкой А. И. Куинджи.
В 1896 году Дмитрий Каратанов возвращается в Красноярск, много путешествует по Енисейской губернии. Любимое место работы — красноярские Столбы.
В 1900 году Каратанов уезжает в Санкт-Петербург. Работает в художественной студии-мастерской М. К. Тенишевой, выполняет декорации одной из сцен оперы А. Н. Серова «Вражья сила», постановку которой осуществляла мать художника.
В 1901 году Каратанов вновь возвращается в Красноярск. Совершает более десяти длительных поездок с экспедициями разного назначения, в основном по северным районам губернии. Собрание работ Дмитрия Каратанова — итог поездки на Север в 1906 году — хранится в фондах ленинградского Государственного музея этнографии народов СССР. Из работ этой серии особенно выделяются два написанных маслом портрета — «Остяк в чуме» и «Шаманка».
27 января 1910 года в Красноярске открылась первая в Сибири рисовальная школа с четырехлетним сроком обучения. 10 марта 1910 года енисейский губернатор Я. Д. Бологовский назначает Каратанова преподавателем Красноярской городской рисовальной школы. Чернышёв Л. А. был назначен заведующим-преподавателем.
С 1917 года по 1940 год Дмитрий Каратанов — штатный сотрудник Красноярского краеведческого музея. Постоянно участвовал в экспедициях музея по Красноярскому краю.
Д. И. Каратанов первым из сибирских художников получил в 1948 году звание заслуженного деятеля искусств РСФСР.
Дмитрий Иннокентьевич скончался 10 сентября 1952 года. Похоронен на Троицком кладбище Красноярска.
Именем Д. И. Каратанова названа улица в центре Красноярска, детская художественная школа в городе Абакане.
На доме по ул. К. Маркса, 83 в Красноярске установлена мемориальная доска с барельефом художника и текстом: «В этом доме с 1933 по 1952 год жил работал художник, заслуженный деятель искусств РСФСР Дмитрий Иннокентьевич Каратанов».