Окончил исторический факультет Московского государственного университета. Учеба прерывалась срочной военной службой в 1987—1989 гг. (рядовой войск ПВО, Группа советских войск в Германии). Закончил аспирантуру МГУ. Кандидат исторических наук, доцент. Работает на кафедре источниковедения МГУ, преподавал также в университете Российской академии образования. Возглавляет издательство «Мануфактура», заместитель председателя Правления Историко-просветительского общества и член редколлегии альманаха «Историческое обозрение». Основатель и главный редактор журнала «Русское средневековье». Много лет проработал в издательстве «Аванта+» — редактором, заместителем главного редактора, исполнительным директором. Литературный дебют относится к 1991 г. (рассказ «Прорыв» в журнале «Студенческий меридиан»). Дебют в фантастике — рассказ «Популяция хитрых котов» (2000). Автор более 200 научных и научно-популярных работ — монографий, статей, учебных пособий.
Православный. Свои общественно-политические взгляды определяет как государственнические и имперские. По словам Дмитрия Володихина, «Патриотизм — главное прибежище порядочных людей». Является одним из современных теоретиков цивилизационного подхода в российской исторической науке (коллективная монография «Традиция и Русская цивилизация»).
С 1997 г. активно выступает как критик (журналы «Если», «Мир фантастики», «Звездная дорога», «Реальность фантастики», «Безымянная звезда», «Fanтастика», «Знамя», «Москва», газета «Книжное обозрение» и др.). Ему принадлежит известная фраза: «Некоторые книги надо читать стоя!» В 1990 — 1991 гг. посещал семинары ВТО МПФ. В 1999 г. стал одним из основателей и руководителей литературно-философской группы «Бастион». Член Союза писателей России. Член Карамзинского клуба. Руководитель оргкомитета конвента Басткон, член оргкомитета конвента «Созвездие Аю-Даг». Один из двух координаторов Роскона в 2001г ., затем в течение ряда лет -- член оргкомитета Роскона. Секретарь жюри литературной премии «Филигрань», член жюри мемориальной премии памяти К.Булычева, премий памяти Ю.Тынянова (Общества исследователей русской фантастики), имени А.Грина и имени Л.Козинец (конвент «Созвездие Аю-Даг»), а также ряда премий, вручаемых на Бастконе. C лета 2008-го работает заместителем главного редактора журнала Н.С.Михалкова «Свой».
Произведения Дмитрия Володихина могут быть отнесены как к фэнтези («Полдень сегодняшней ночи», «Дети Барса»), так и к научной фантастике (трилогия «Убить миротворца» — «Конкистадор» — «Долиной смертной тени», отчасти роман «Доброволец»). Сам он определяет значительную их часть как «сакральную фантастику», являясь одним из основоположников и теоретиков этого направления. Составитель и издатель альманаха «Сакральная фантастика». Володихин, в частности, писал: «Мы строим фантастическое допущение как чудо, ничем и никем в нашей родной реальности не обоснованное». Борьба добра со злом, понимаемая в религиозном смысле, — главное содержание произведений «сакральных фантастов». Для Володихина понимание это — христианское. Противоборство слуг Божьих с дьявольским натиском и соблазном превращается в основную тему его произведений. И даже в «научно»-фантастических вещах этот смысл прочитывается внимательным читателем. Среди книг Дмитрия Володихина можно особо выделить роман «Дети Барса», в предисловии к которому Г.А.Елисеев писал: «в этой книге Володихин сумел синтезировать свои лучшие достижения в области «сакральной фантастики» и довести до литературного блеска приемы, отработанные на страницах фантастических текстов о будущем». Но вышедший позднее итоговый аккорд «космической» эпопеи — глубокий философско-этический роман «Долиной смертной тени», — следующий шаг в том же направлении. В 2007 г. оживленный отклик встретил роман о Гражданской войне «Доброволец».
Лауреат I премии молодых ученых МГУ за 1995 г. и Президентской премии в области образования за 2002 г. За критические и публицистические статьи отмечен премиями «Странник» (2000), журнала «Если» (2002), «Золотой Кадуцей» (ЗМ-2002), «Серебряный Роскон» (2003). В 2007 году награжден премией имени Тита Ливия (учрежденной Форумом альтернативной истории) за роман «Доброволец». Занимал 1-е и 3-е место в конкурсе «Фанткритик» соответственно в 2005 и 2007 гг.