Ο Δημήτριος Νανόπουλος γεννήθηκε στην Αθήνα στις 13 Σεπτεμβρίου 1948 με καταγωγή από το Άργος. Σπούδασε φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και συνέχισε τις σπουδές του στο Πανεπιστήμιο Sussex της Αγγλία, όπου απέκτησε το διδακτορικό του το 1973 στη Θεωρητική Φυσική των Yψηλών Eνεργειών.

Διετέλεσε ερευνητής στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών Ευρώπης (CERN) στη Γενεύη της Ελβετίας και επί σειρά ετών ανήκε στο ανώτερο ερευνητικό προσωπικό του Κέντρου. Διετέλεσε ερευνητής στην Ecole Normale Superieure, Παρίσι, και στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, Cambridge, των H.Π.A. Το 1989, εξελέγη καθηγητής στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Texas A&M, College Station, όπου από το 1992 είναι διακεκριμένος ("distinguished") καθηγητής και όπου από το 2002 κατέχει την έδρα Mitchell/Heep της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών. Είναι διευθυντής του Κέντρου Αστροσωματιδιακής Φυσικής του Κέντρου Προχωρημένων Ερευνών (HARC), στο Χιούστον, Τέξας, όπου διευθύνει ερευνητικό τμήμα του World Laboratory, που εδρεύει στη Λωζάνη. Το κύριο ερευνητικό του έργο ανήκει στο πεδίο της Σωματιδιακής Φυσικής ή ("φυσική υψηλών ενεργειών") και της Κοσμολογίας, ενώ στα ερευνητικά του ενδιαφέροντα ανήκουν και η δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας όλων των δυνάμεων της φύσης, η θεωρία του Παντός, η υπερσυμμετρία, η υπερβαρύτητα, η Θεωρία Χορδών και η βιοφυσική. Έχει συγγράψει πάνω από 520 πρωτότυπες εργασίες, όλες δημοσιευμένες σε περιοδικά με κριτές και υψηλό impact factor, συμπεριλαμβανομένων 10 βιβλίων. Έχει πάνω από 26.900 ετεροαναφορές και τον Νοέμβριο 2001 βρέθηκε ότι είχε τον 4ο υψηλότερο h-index στον κόσμο ανάμεσα στους θεωρητικούς φυσικούς, σε κατάταξη που έγινε από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η συγκεκριμένη κατάταξη προκύπτει υπολογιστικά και αφορά τον συνολικό αριθμό δημοσιεύσεων ενός επιστήμονα, λαμβάνοντας υπ’ όψιν και τις παραπομπές που έχουν γίνει από άλλους προς αυτές τις δημοσιεύσεις. Το 1990 προτάθηκε απο τις ΗΠΑ για το Νόμπελ Φυσικής. Το 1996 του απενεμήθη ο Tαξιάρχης του τάγματος της τιμής της Ελληνικής Δημοκρατίας. Το 1997 εξελέγη τακτικό μέλος της Ακαδημίας Αθηνών. Το 1999 και για δεύτερη φορά το 2005 απέσπασε το βραβείο του Ιδρύματος Ερευνών της Βαρύτητας, που εδρεύει στη Μασαχουσέτη των Η.Π.Α. Το 2006 του απενεμήθη το διεθνές βραβείο του Κοινωφελούς Ιδρύματος Αλέξανδρος Σ. Ωνάσης. Το 2009 τιμήθηκε με το βραβείο Enrico Fermi της Ιταλικής Εταιρείας Φυσικής (SIF).