Den australiska red 13.8km på 14 minuter och 56 sekunder med en genomsnittlig hastighet av 55.446 km/h, med tyska Tony Martin fem sekunder efter i sekunden.
"Att bära Tour de France gul tröja, det är en dröm," Dennis sade.
Team Sky's Chris Froome var 50 sekunder tillbaka när Steve Cummings placerade högst av 10 brittiska ryttare i 10: e.
Defending mästare Vincenzo Nibali var den bästa artisten bland Froomes andra utmanare för total seger vid 21-stegsloppet, som slutar i Paris den 26 juli,
Astanas italienska ryttare slutade 22nd, sju sekunder före 2013 vinnaren Froome, 15 sekunder från Spaniard Alberto Contador och 18 sekunder före Colombias Nairo Quintana.
"Det är ju längre ansträngningar jag har tränat för och jag är glad över att ha det på rätt sätt", säger Froome.
Brittiska före detta olympiska mästare Chris Boardman satte den tidigare snabbaste individuella genomsnittliga hastigheten över en Tour de France skede med 55.152 km/h på 7.2km prologen 1994.
"Allt gick perfekt", sade Dennis, som kommer att bära ledarens gula jersey för början av scenen två på söndag - en 166 km rida längs den holländska kusten som sannolikt kommer att sluta i ett gäng sprint.
"Vi gick med taktiken att gå ut tidigt och sätta ett riktmärke och få alla att jaga mig," den 25-årige BMC ryttaren lagt på ITV4.
Dennis schweiziska lagkamrat Fabian Cancellara kom trea med en tid på 15 minuter och två sekunder, medan Britons Geraint Thomas från Team Sky och Alex Dowsett från Movistar kom 12:e respektive 13:e.
Cummings, 34, senast red Tour 2012 och i år tävlar om Team MTN-Qhubeka, det första afrikanska-baserade laget för att tackla cykling mest prestigefyllda ras.
Under tiden, Astanas Lars Boom avslutade scenen trots förslag han bör dras tillbaka för att misslyckas ett test för låga kortisolnivåer, vilket kan tyda på missbruk av kortison.
Steg 1 resultat och allmän klassificering
1 Rohan Dennis (Aus) BMC Racing Team 14mins 56seks
2 Tony Martin (Ger) Etixx - Snabbsteg +5seks
3 Fabian Cancellara (Swi) Trek Factory Racing +6seks
4 Tom Dumoulin (ned) Team Giant-Alpecin +8seks
5 Jos Van Emden (Ned) Team LottoNL-Jumbo +15seks
6 Jonathan Castroviejo (Spa) Movistar Team a +23seks
7 Matthias Brandle (Aut) IAM Cycling samtidigt
8 Adriano Malori (Ita) Movistar Team +29seks
9 Wilco Kelderman (ned) Team LottoNL-Jumbo +30seks
10 Stephen Cummings (Gbr) MTN - Qhubeka +32seks
Andra markerade:
12 Geraint Thomas (Gbr) Team Sky +33seks
13 Alex Dowsett (Gbr) Movistar Team +36seks
22 Vincenzo Nibali (Ita) Astana +43seks
33 Simon Yates (Gbr) Orica GreenEdge +46seks
39 Christopher Froome (Gbr) Team Sky +50seks
46 Alberto Contador (Spa) Saxo-Tinkoff +58
57 Nairo Quintana (Kol) Movistar +1min 1sek
68 Peter Kennaugh (Gbr) Team Sky +1min 08seks
74 Ian Stannard (Gbr) Team Sky +1min 11seks
97 Adam Yates (Gbr) Orica GreenEdge +1min 18seks
123 Mark Cavendish (Gbr) Etixx - Snabbsteg +1min 26seks
180 Luke Rowe (Gbr) Team Sky +1min 54seks
Rohan Dennis red den snabbaste individuella tid rättegång i Tour de France historia för att göra anspråk på seger i inledningsskedet av årets lopp i Utrecht.