Родился в 18 апреля 1968 года в Минске, в 1985 году окончил Минское суворовское военное училище. Позже учился на военного переводчика. В 1986—1988 годах служил в Афганистане переводчиком. Окончив в 1992 году экономический факультет МГИМО работал в финансовой сфере России и Белоруссии, занимал руководящие посты в крупных российских компаниях и государственных структурах.
Был назначен главой «Сибура» через несколько месяцев после ареста предыдущего руководителя компании Якова Голдовского. Основной задачей, поставленной перед Мазепиным руководством «Газпрома» было возвращение «Сибура» под операционный контроль материнской компании. Проведя на посту главы компании чуть больше полугода, в феврале 2003 года был отправлен в отставку.
После ухода из «Сибура» Дмитрий Мазепин решил заняться бизнесом в химической отрасли. В 2004 году компания «Конструктивное бюро», контролируемая Д. А. Мазепиным, на открытом аукционе РФФИ приобрела контрольный пакет акций ОАО «Кирово-Чепецкий химкомбинат». В 2005 году возглавил совета директоров комбината. Позже «Конструктивное бюро» приобрело пакеты акций пермских АО «Галоген» и «Минудобрения», березниковского АО «Азот», волгоградского «Химпрома» (передан «Ренове» в 2006 году). В 2007 году на базе активов холдинга «Конструктивное бюро» создаётся Открытое акционерное общество «Объединённая химическая компания „Уралхим“». В июне 2008 года приобретены 75,01 % акций ОАО «Воскресенские минеральные удобрения».
Журнал Forbes включил Д. А. Мазепина в список 100 богатейших бизнесменов России 2010, оценив его состояние в $950 млн.