Товарищ председателя Московского археологического общества. В 1896 году избран ординарным академиком по кафедре зоологии Императорской Академии наук в Санкт-Петербурге, почётный член Петербургской Академии наук (1898), член-корреспондент Парижского антропологического общества (1879), действительный член Итальянского общества антропологии и географии (1880), Американского антропологического общества в Вашингтоне (1883), почётный член Королевского антропологического института в Лондоне (1897), член Русского горного общества (1900).
Дмитрий Николаевич Анучин учился в 4-й Ларинской гимназии, которую окончил в 1860 году.
После окончания гимназии Дмитрия Анучина зачислили на историко-филологический факультет, где выслушивал лекции Стасюлевича, Костомарова, Срезневского и Сухомлинова, но болезнь заставила его через год бросить университет и уехать за границу, откуда он вернулся только в 1863 году с обновлёнными сведениями и обновившимся мировоззрением.
После поездки Анучин опять поступил в Московский университет, в этот раз по естественному отделению физико-математического факультета и закончил курс кандидатом в 1867 году, но после выпуска Дмитрий Анучин продолжал старательно учить этнографию, зоологию и антропологию.
В 1880 году защитил магистерскую диссертацию на тему: «О некоторых аномалиях человеческого черепа, преимущественно в их распространении по расам», после чего был избран доцентом по кафедре антропологии Московского университета.
За опубликованный им в 1886—1889 годах ряд научных трудов получил учёное звание доктора географии honoris causa.
С 1875 года состоял в ИОЛЕАЭ (Императорском обществе любителей естествознания, антропологии и этнографии, а с 1890 года был президентом Общества.
В 1880 году Д. Н. Анучин начал изучение Валдайской возвышенности, впервые определил одну из наиболее высоких точек Тверской губернии — гору Каменник (321 м), также особое внимание он уделял рельефу верховьев Волги.
В 1894—1895 годах Дмитрий Николаевич Анучин принял участие в экспедиции под руководством А. А. Тилло по исследованию истоков Волги, Западной Двины, Днепра, Верхневолжских озёр и озера Селигер с целью выяснения причин обмеления рек в Тверской губернии. Дмитрий Николаевич Анучин окончательно решил вопрос об истоке Волги.
Дмитрий Николаевич Анучин умер 4 июня 1923 года и похоронен на Ваганьковском кладбище.
При Московском университете Дмитрий Николаевич Анучин создал Географический музей — один из самых полных в России, с библиотекой до 10 000 томов, и Антропологический — крупнейший музей по антропологии и этнологии. Основал отечественную школу географов, является основателем русской лимнологии (озероведения).
Дмитрию Николаевичу Анучину принадлежит до 600 трудов по этнической антропологии и антропогенезу, этнографии, первобытной археологии, общей физической географии, страноведению и истории науки.
Вместе с группой ученых, объединившихся вокруг А. С. Уварова, одного из основателей Русского и Московского археологических обществ, Исторического музея в Москве, археологических съездов, Анучин вывел русскую археологию из стадии любительства.
Работы Анучина «Рельеф поверхности Европейской России…» (1897 год), «Верхне-волжские озера и верховья Западной Двины» (1897 год) положили начало систематическому изучению рельефа и озёр России. Благодаря тщательности исследования (для того, чтобы составить карту глубин Селигера было сделано около 8 тысяч измерений), до сих пор являются наиболее фундаментальной работой о Селигере и Валдайской возвышенности.
В 1916 г. Дмитрий Николаевич передал в дар Императорскому Московскому университету личную библиотеку, содержащую около 2000 книг по географии, этнографии, истории, естествознанию, среди которых много редких изданий. В настоящий момент библиотека Анучина хранится в Отделе редких книг и рукописей Научной библиотеки МГУ имени М. В. Ломоносова.
Среди учеников Дмитрия Ивановича Анучина были известные географы-исследователи и педагоги: Лев Семёнович Берг, Александр Александрович Борзов, Александр Сергеевич Барков, Александр Николаевич Джавахишвили, Борис Фёдорович Добрынин, Иван Семёнович Щукин, Сергей Григорьевич Григорьев, Митрофан Степанович Боднарский, Александр Александрович Крубер. В части этнографии народов Дальнего Востока и археологии Южной Сибири идеи Анучина развивал Альберт Липский.