При рождении носил имя Эдвард Михайлович Гипси. Отец — актёр (сыграл, в частности, эпизодическую роль в фильме «Чапаев»), автор одного сборника стихов Михаил Михайлович Гипси? (псевдоним, настоящая фамилия — Кузнецов, 1891—1942, умер в блокаду), мать, Анна Николаевна Васильева — художник-декоратор. С 1942 по 1944 год был в эвакуации в Алтайском крае. После войны Эдвард и его младший брат Генрик Гипси сменили фамилию на Балашовы (выбрав её в телефонной книге), а имена — на Дмитрий и Григорий.
Выпускник Ленинградского театрального института им. А. Островского, кандидат филологических наук, писатель, фольклорист и историк. В 1967-71 гг. учился в аспирантуре Института русской литературы (Пушкинский дом) АН СССР. В 1961-68 гг. работал в Институте литературы, языка и истории Карельского филиала АН СССР в Петрозаводске.
Балашов предпринял несколько экспедиций на Север и издал несколько научных сборников: «Народные баллады» (1963), «Русские свадебные песни» (1969), «Сказки Терского берега Белого моря» (1970) и др. В 1962 Балашов принял участие в организации «Общества охраны памятников старины».
С 1972 по 1983 год Балашов жил в деревне Чеболакша на Онежском озере. После того, как его дом сгорел, он переехал в Новгород.
К художественному творчеству Балашов обратился уже в зрелом возрасте. Первая повесть «Господин Великий Новгород», опубликованная в журнале «Молодая гвардия» в 1967 году, изображала жизнь новгородского общества XIII века пластично, зримо и достоверно, знакомила с духовным и бытовым укладом, языком новгородцев той поры. С этого момента, не оставляя научную работу, Балашов посвящает себя и литературному труду.
Талант исторического романиста проявился в романе «Марфа-посадница» (1972), охватывающем период с 1470 по 1478 год и посвящённом присоединению Новгорода к Московскому Великому княжеству. Опираясь на труды историка В. Л. Янина («Новгородские посадники» и др.), показал внутренний кризис новгородского вечевого устройства, трагический образ Марфы, пытающейся объединить силы в борьбе с Москвой. Целостное, исторически документальное воссоздание эпохи сочетается в романе с воплощением ярких, драматических характеров людей из разных сословий. Вместе с тем критика отмечала, что в романе «противоборство Москвы и Новгорода увидено лишь по-новгородски» (С. Котенко). Апология «воли», симпатии к новгородским еретикам XV века при явной антипатии к москвитянам и деятелям Православной церкви (в чем проявилось некоторое следование В. Л. Янину) в известной мере лишили роман «объективности и мудрого историзма» (С. Семанов).
Главный труд Балашова-художника — цикл романов «Государи Московские», включающий в себя книги: «Младший сын» (1975), «Великий стол» (1979), «Бремя власти» (1981), «Симеон Гордый» (1983), «Ветер времени» (1987), «Отречение» (1989), «Похвала Сергию» (1992), «Святая Русь» (1991—97), «Воля и власть» (2000), «Юрий» (неоконченный). Цикл представляет собой уникальную историческую хронику-эпопею, охватывающую период русской истории с 1263 года (кончина князя Александра Невского) до 1425 года. Именно в «Государях Московских» впервые в художественной литературе мир русского средневековья воссоздан с непревзойдённой степенью полноты, исторической достоверности и философской насыщенности. В нем погодно отражены основные исторические события, геополитическое положение Руси, жизнь главнейших княжеств, быт и нравы всех сословий, воплощены судьбы, облик и характер сотен исторических деятелей. Соединение эпичности с напряжёнными нравственно-психологическими коллизиями, духовное содержание русской истории XIV века, высокие художественные достоинства поставили романы Балашова в ряд серьёзных реалистических произведений, повествующих о мире и человеке. Эту эпопею писатель творил опираясь на научное наследие историка Л. Н. Гумилёва, вследствие чего, его проза получила подлинно масштабное видение исторического развития Евразии в XIII—XV вв., превосходящее панораму первых исторических романов «Новгородского цикла».
17 июля 2000 года Дмитрий Балашов был убит у себя дома в деревне Козынево. Его труп, завёрнутый в рогожу, был найден перед домом писателя. У Балашова была обнаружена травма головы и следы удушения. В 2002 году суд признал виновными в преступлении ранее судимого жителя Новгорода Евгения Михайлова и сына писателя Арсения Балашова (за укрывательство убийства своего отца и угон его автомашины). Однако в декабре 2003 года Е. Михайлов был освобождён и полностью оправдан. Тем не менее, этот приговор был обжалован, Е. Михайлов был снова признан виновным в совершении убийства и приговорён к 14 годам заключения. Арсению Балашову приговор 2002 года не пересматривался; после освобождения из заключения он сменил фамилию, имя и отчество.
Похоронили Д. М. Балашова на Зеленогорском кладбище под Санкт-Петербургом, рядом с матерью.