Musicalmente precoz, estudió en los conservatorios de Atenas, Bruselas y Berlín (con Ferruccio Busoni).
Fue preparador vocal y asistente de Erich Kleiber en la Staatsoper Unter den Linden.
Compuso la ópera Sor Beatriz en 1919 que fue puesta en escena en Atenas.
Ferviente devoto de la Iglesia ortodoxa griega, llevó una vida ascética y monacal (sus tíos eran monjes en el Monte Athos).
En su honor se creó el Concurso Dmitri Mitropoulos para directores de orquesta.