Dimitrios Paleologos probablemente nació en 1407. Fue el quinto hijo del emperador Manuel II Paleologos y Eleni Dragatsis. Desde muy joven demostró que se convertiría en una gran herida para el helenismo, que atravesaba tiempos trágicos. Ambicioso y egoísta, no quedó satisfecho con la isla de Lemnos que su padre le concedió a los 15 años, sino que huyó al rey húngaro Segismundo pidiéndole ayuda contra sus hermanos.
Permaneció en Hungría hasta 1427. Mientras tanto, Manuel había muerto y había sido sucedido por su hijo mayor, Juan I. En noviembre de 1437 acompañó al emperador a Ferrara, donde se estaba celebrando el concilio para la unión de las iglesias. Se declaró antinótico y regresó a Constantinopla sin el consentimiento de su hermano emperador.
Como castigo, fue despojado del mando de Lemnos, pero finalmente se le dio la ciudad de Mesimvria cuando comenzó a desarrollar vínculos con los turcos. En abril de 1442 atacó Constantinopla con el refuerzo turco proporcionado por el sultán Murat, pero fue rechazado. Fue encarcelado, pero escapó y se refugió en Galata, el puesto avanzado 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 al trono Constantino IA todavía estaba en Mystras. El embaucador Dimitrios volvió a fracasar por culpa de su madre.
Para deshacerse de él, Constantino lo nombró déspota de más de la mitad del Despotado de Mystras. La otra mitad del Despotado había sido recibida por su hermano Tomás Paleólogo. Tras la Caída de la Ciudad, los hermanos Paleólogos afrontaron la revolución de Dimitrios Kandauzinos con la ayuda de los turcos, en 1454.
Sin embargo, inmediatamente después Demetrio se volvió contra Tomás y pidió el apoyo de los turcos. Los dos hermanos hicieron las paces cuando Tomás cedió a las demandas de Demetrio concediéndole tierras. Los turcos, sin embargo, sometieron a los paleólogos a impuestos. Sin embargo, debido a que no pagaron el impuesto debido a disturbios internos, Mahoma hizo campaña en el Peloponeso.
Tomás Paleólogo huyó a Italia y Demetrio, después de una fingida resistencia, entregó Mystras a los turcos, sin luchar realmente, obteniendo recompensas personales. El sultán concedió a Demetrio los ingresos de la ciudad tracia de Ainos y parte de los ingresos de Tasos y Samotracia. Vivió en Ainos con su familia hasta 1467.
Pero luego perdió el favor de Mahoma porque robó los impuestos adeudados a los turcos, según Sfrantzis. Mahoma les quitó todas sus posesiones y Dimitrios y sus familiares se refugiaron en Didymoteicho, de luto. Finalmente, Mahoma lo perdonó y lo instaló en Adrianópolis, proporcionándole una pequeña renta. Tras la muerte de su hija Eleni, en 1469, se convirtió en monje con el nombre de David. Murió con el proyecto en 1470, dejando sólo malos recuerdos.
