Дмитрий Павленко родился на руднике Солонечный, Газзаводского района, Читинской области, РСФСР, СССР. Детство провёл в Чите. В 1993 году окончил Высшее театральное училище имени Щепкина (курс В.А. Сафронова). Ещё во время учебы снимался в клипах, эпизодах кино; был ведущим передачи «Детский час». В 1993 году был приглашен режиссёром И. Фридбергом на одну из главных ролей в один из первых российских сериалов «Азбука любви». В 1993 году был принят в труппу Московского театра имени М.Н. Ермоловой.