Dimitrios Paleologos probablemente nació en 1407. Fue el quinto hijo del emperador Manuel II Paleólogo y de Elena Dragatsis. Desde pequeño mostró rasgos que lo convertirían en una gran amenaza para el helenismo, que vivía tiempos trágicos.
Ambicioso y egoísta, no se conformó con la isla de Lemnos que su padre le cedió a los 15 años; recurrió al rey húngaro Sigismundo pidiendo ayuda contra sus hermanos y permaneció en Hungría hasta 1427.
Mientras tanto, Manuel había muerto y le había sucedido su hijo mayor, Juan II. En noviembre de 1437 acompañó al emperador a Ferrara, donde se celebraba el concilio para la unión de las iglesias. Se declaró opositor y volvió a Constantinopla sin el consentimiento de su hermano, el emperador.
Como castigo le fueron retirados los derechos sobre Lemnos, pero le concedieron la ciudad de Mesembría mientras empezaba a estrechar lazos con los turcos. En abril de 1442 atacó Constantinopla con el apoyo del sultán Murad, pero fue repelido. Fue encarcelado, escapó y se refugió en Galata, el enclave genovés frente a la ciudad.
Cuando Juan I murió en 1448, Demetrio intentó un golpe de Estado para apoderarse de la ciudad, mientras su hermano y heredero Constantino I aún estaba en Mistra. El astuto Demetrio fracasó nuevamente, en parte por la intervención de su madre.
Para alejarlo, Constantino lo nombró despótico de la mitad del Despotado de Mistra. La otra mitad la había recibido su hermano Tomás Paleólogo. Tras la caída de la ciudad, los hermanos Paleólogo enfrentaron la rebelión de Demetrio Kandauzinos con ayuda turca en 1454.
Inmediatamente después, Demetrio se volvió contra Tomás y solicitó el apoyo de los turcos. Los dos hermanos llegaron a un acuerdo cuando Tomás cedió tierras a Demetrio. Sin embargo, los otomanos impusieron impuestos a los sujetos paleólogos; al no pagarlos y por disturbios internos, el sultán lanzó una campaña en el Peloponeso.
Tomás Paleólogo huyó a Italia, y Demetrio, tras una fingida resistencia, entregó sin luchar Mistra a los turcos, obteniendo recompensas personales. El sultán le concedió los ingresos de la ciudad tracia de Ainos y parte de los de Tesalia (Thassos y Samotracia). Vivió en Ainos con su familia hasta 1467.
Pero pronto cayó en desgracia con el sultán al apropiarse de los tributos debidos a los otomanos, según Sfrantzis. El sultán le quitó todas sus posesiones y Demetrio y sus parientes buscaron refugio en Didymoteicho, donde vivieron en la indigencia. Finalmente, el sultán lo perdonó, lo instaló en Adrianópolis y le otorgó una pequeña pensión. Tras la muerte de su hija Elena, en 1469, se convirtió en monje bajo el nombre de David. Murió en 1470, dejando sólo malos recuerdos.
