Родился 25 октября (6 ноября) 1852 года в посёлке Висимо-Шайтанского завода Верхотурского уезда Пермской губернии (ныне — посёлок Висим Пригородного района Свердловской области) в семье заводского священника Наркиса Матвеевича Мамина (1827—1878). Его сестра Елизавета (1866—1925) в августе 1878 года была зачислена сразу в третий класс Екатеринбургской первой женской гимназии. Младший брат — В. Н. Мамин, депутат Государственной думы Российской империи II созыва. Дмитрий получил домашнее образование, затем учился в Висимской школе для детей рабочих, позднее — в духовном училище (1866—1868) и в Пермской духовной семинарии (до 1872 года, полный курс не окончил).

В 1872 году поступил в Императорскую медико-хирургическую академию на ветеринарное отделение. С 1874 года ради заработка писал для газет отчёты о заседаниях научных обществ, в газете «Сын отечества» и журнале «Кругозор» публиковал остросюжетные истории о разбойниках, уральских старообрядцах, загадочных людях и происшествиях. В 1876 году, не окончив академии, перешёл на юридический факультет Санкт-Петербургского университета. Проучившись год, вынужденно оставил университет из-за материальных трудностей и резкого ухудшения здоровья (начался плеврит).

Летом 1877 года вернулся к родителям. В следующем году умер отец, и вся тяжесть забот о семье легла на Дмитрия. Чтобы дать образование братьям и сестре и суметь заработать, переехал в крупный культурный центр — Екатеринбург, где женился на Марии Якимовне Алексеевой, ставшей для него не только гражданской женой и другом, но и прекрасным советчиком по литературным вопросам. В эти годы будущий писатель совершил много поездок по Уралу, изучал литературу по истории, экономике, этнографии Урала, знакомился с народной жизнью.

С начала 1880-х годов занимался литературным трудом, неоднократно выезжал в Санкт-Петербург.

В 1890 году разошелся с Марией Алексеевой, после чего жил в гражданском браке с артисткой Екатеринбургского драматического театра Марией Абрамовой и переехал в Санкт-Петербург. В 1892 году 28-летняя Абрамова умерла при родах, оставив больную хореей дочь Алёнушку (Елену) на руках потрясённого этой смертью отца. Своей дочери Дмитрий Наркисович посвятил цикл своих произведений для детей, который он так и назвал: «Алёнушкины сказки». Не без труда добился писатель прав на отцовство, и в итоге Елена Дмитриевна Мамина была признана законной дочерью Мамина-Сибиряка. Она прожила недолгую жизнь, как и её мать: в 1914 году скончалась от туберкулёза.

В 1902 году вместе с друзьями-писателями посетил Кисловодск, опубликовав впоследствии рассказ «Погибельный Кавказ»^[2].

Дмитрий Наркисович 4 августа 1911 года перенёс кровоизлияние в мозг, паралич руки и ноги. Летом 1912 года вновь заболел плевритом.

Скончался 2 (15) ноября 1912 года в Санкт-Петербурге. Похоронен на Никольском кладбище Александро-Невской лавры, через два года рядом похоронили его дочь; в 1956 г. оба перезахоронены на Литераторских мостках Волковского кладбища^[3].