Димитрије је био син византијског цара Андроника и Ирине од Монферата. Рођен је око 1297. године. Његова сестра Симонида удала се 1299. године за српског краља Стефана Милутина (1282-1321). Како они нису имали деце, Димитријева мајка Ирина настојала је да наговори Милутина да једног од Симонидине браће одреди за наследника. У ту сврху обасипала је свога зета разним поклонима. Димитрије је 1304. године дошао у Србију, на двор Стефана Милутина. Тамо се, међутим, задржао кратко правдајући се да му не прија "сурова средина" и неповољна клима, па је, забринут за здравље, напустио земљу. У ствари, Димитрију, као и његовом брату Теодору I Монфератском, није се свиђала идеја да живот проведу у варварској земљи. Димитрије од 1306. године носи титулу деспота. Титула деспота, у Византији највиша после царске, додељивала се царевим блиским сродницима. Димитрије је узео учешћа у грађанском рату у Византији (1321-1328) подржавајући свога оца Андроника II против сестрића Андроника III (1328-1341). У последњим годинама рата (1327-1328) обављао је функцију намесника Солуна. Приморан је да бежи у Србију код Стефана Дечанског док је Андроник III заробио његову жену и децу. Након Андрониковог крунисања, Димитрије се враћа у Цариград и учествује у завери против цара 1336/7. године. Андроник је избегао погибију. Последњи помен Димитрија је из 1343. године. Андроник III је умро две године раније, а у Византији је тада избио нови грађански рат између Андрониковог сина Јована Палеолога и бившег мегадукса Јована Кантакузина. Димитрије је сликао минијатуре.