Опубликовал более 300 научных работ по самым различным разделам математики: математический анализ, теория чисел, геометрия, история математики, математическая логика, методика преподавания и др. В области истории математики его крупнейшим вкладом считается академическое издание комментированного русского перевода «Начал» Евклида и «Математических трудов» И. Ньютона.
Д. Д. Мордухай-Болтовской родился в г. Павловске Петербургской губернии в семье инженера путей сообщения. По окончании гимназии (1894) поступил на физико-математический факультет Петербургского университета и закончил его в 1898 году.
Работал вначале в Варшавском политехническом институте, где с 1899 года стал штатным профессором. В 1901 году защитил в Петербурге магистерскую диссертацию. В 1906 году женился на Людмиле Филаретовне Ганжулевич, дочери варшавского судьи. В этом же году вместе с частью института был откомандирован в Новочеркасск, где преподавал в Донском политехническом институте. В 1909 году был избран профессором математики Варшавского университета.
В 1915 году, когда немецкие войска оккупировали Польшу, университет был эвакуирован в Ростов-на-Дону и остался там навсегда. Д. Д. Мордухай-Болтовской переселился в Ростов-на-Дону и работал там в университете почти всю жизнь, вплоть до эвакуации в годы Великой Отечественной войны. В 1935 году ему было присвоено звание доктора наук.
Последние годы жизни (1950-1952) Д. Д. Мордухай-Болтовской жил в Пятигорске, преподавал в пединституте.
В 1910 году Мордухай-Болтовским был обобщён критерий Лиувилля разрешимости дифференциального уравнения в квадратурах; этот обобщённый критерий носит имя Лиувилля — Мордухай-Болтовского.
Решил 22-ю проблему Гильберта. Развил начертательную геометрию в пространстве Лобачевского.
Упоминается в повести И. Грековой «На испытаниях»:
Д. Д. Мордухай-Болтовской выведен под именем университетского профессора Дмитрия Дмитриевича Горяинова-Шаховского в романе А. И. Солженицына «В круге первом»:
и в поэме «Дороженька»:
К столу хозяйка подводила
Старинного любимца дома,
Механика и астронома,
Горяинова-Шаховского.
Седой полнеющий старик,
Учёный с титлом мирового,
Владелец шапочек и мантий,
Известный автор многих книг,
Не утерял ещё таланта.
Прикрывши грудь волной салфетки,
Следить за вкусами соседки <…>
И оживлённо средь мужчин
Поговорить о Лиге Наций,
О том, куда идёт страна,
И о записках Шульгина.